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Die Jagd nach dem Protonenradius
Protonen gehören zu den Bausteinen jeder alltäglichen Materie. Eine genaue Vermessung dieser Bausteine gewährt nicht nur einen fundierten Einblick in deren Struktur, sondern hilft auch, das Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment zu verfeinern und damit das Gebäude der Physik weiterzuentwickeln. In unserem Video zeigen wir, wie Forschenden am PSI die Vermessung des Protonenradius gelungen ist.
Zusammen mit den elektrisch neutralen Neutronen bilden die positiv geladenen Protonen den Atomkern, um welchen die negativ geladenen Elektronen kreisen. Gerne werden dabei die Protonen als kleine rote Bällchen dargestellt – eine Vereinfachung, auf welche auch wir in unserem Video zurückgreifen müssen. Allerdings geht mit dieser Darstellung oft vergessen, dass es sich beim Proton, im Gegensatz zum punktförmigen Elektron, keineswegs um ein Elementarteilchen handelt, sondern dass dieses wiederum aus noch viel kleineren Teilchen zusammengesetzt ist – aus sogenannten Quarks und Gluonen. Diese Teilchen geben dem Proton seine positive Ladung und seine Struktur – die räumliche Verteilung der Teilchen gibt dem Proton seine Grösse – und diese Grösse gilt es zu bestimmen.
Für dieses Unterfangen haben Forschende am PSI sogenannten myonischen Wasserstoff hergestellt – ein künstliches Atom, das aus nur einem Proton im Atomkern besteht, welches von einem negativ geladenen Myon umkreist wird. Das PSI ist weltweit der einzige Forschungsstandort, an dem genügend niederenergetische Myonen für solche Experimente erzeugt werden können.
Die genaue Vermessung des Protonenradius hilft, die Struktur des Protons besser zu verstehen und ist zugleich die Basis zur Bestimmung der sogenannten Rydberg-Konstante – die am genausten gemessene fundamentale Konstante in der Physik. Diese Konstante steckt in den SI-Einheiten, dem Internationalen Einheitensystem, in dem unter anderem das Kilogramm, der Meter oder die Sekunde definiert sind. Sie ist zudem ein wichtiger Pfeiler im Theorie-Gebäude der Physik. Je genauer der Protonenradius gemessen werden kann, desto genauer kann die Rydberg-Konstante bestimmt und desto genauer können Modelle von einfachen Atomen oder Molekularsystemen berechnet werden.
In diesem Video zeigen wir Ihnen, wie die Forschenden am PSI den Protonenradius vermessen konnten.
Mehr zum Thema erfahren Sie in der aktuellen Ausgabe unseres Magazins 5232-Ausgabe 1/2023.
Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn