Die Vermessung des Protons

Lamb-Verschiebung in myonischem Wasserstoff

Abstract

Zu den fundamentalen Fragen der Physik gehört die nach der Größe des Protons. Sein Ladungsradius wird traditionell über die elastische Streuung von Elektronen am Kern von Wasserstoffatomen bestimmt. Seit den 1990er Jahren ist der Protonenradius aus der Elektronenstreuung der limitierende Faktor beim Test fundamentaler Theorien (Quantenelektrodynamik) mit hochpräziser Laserspektroskopie an Wasserstoffatomen. Schon in den 1960er Jahren gab es die Idee, den Protonenradius mit Hilfe von Myonen zu messen, die das leichtere Elektron ersetzen. Myonen halten sich länger im Kern auf als Elektronen, sind also sensiblere Sonden. 2009 gelang uns ein Experiment am Paul Scherrer Institut, das die Lamb-Verschiebung zwischen 2S- und 2P-Zustand in myonischem Wasserstoff nutzt. Es bestimmte den Ladungsradius des Protons mit zuvor unerreichter Genauigkeit. Überraschenderweise war der gemessene Ladungsradius um 4 % kleiner als die bisherigen offiziellen CODATA-Werte. Die Ursache dieser Diskrepanz ist bis heute ungeklärt.