30.11.2020 - Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Das Protonenrätsel geht in die nächste Runde

Neuer Meilenstein in der Frequenzkammspektroskopie

Wissenschaftlern am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ist es gelungen, die Quantenelektrodynamik mit bis dahin unerreichter Genauigkeit auf 13 Nachkommastellen zu testen. Die neue Messung des 1S-3S Übergangs im atomaren Wasserstoff ergibt einen Protonenradius fast doppelt so genau wie alle bisherigen Wasserstoffmessungen. Dieses Ergebnis bringt die Wissenschaft der Lösung des Rätsels um die Größe des Protons wieder ein Stück weit näher. Erreicht wurde diese hohe Genauigkeit durch die nobelpreisprämierte Frequenzkammtechnik, die hier erstmalig zur Anregung von Atomen in der hochauflösenden Spektroskopie eingesetzt wurde.

Es heißt, die Physik sei eine exakte Wissenschaft. Das bedeutet, dass Vorhersagen der physikalischen Theorien – exakte Zahlen – sich mit Experimenten bestätigen oder widerlegen lassen. Das Experiment ist der höchste Richter jeder Theorie. Die Quantenelektrodynamik, die relativistische Version der Quantenmechanik, ist bisher zweifelsohne die erfolgreichste aller Theorien. Mit ihr lassen sich extrem präzise Berechnungen durchführen, beispielsweise die Beschreibung des Spektrums von atomarem Wasserstoff auf 12 Kommastellen. Wasserstoff ist das im Universum am meisten verbreitete Element und gleichzeitig mit nur einem Elektron auch das einfachste. Dennoch birgt es ein bis dato ungelöstes Rätsel.

Das Rätsel um die Größe des Protons

Das Elektron im Wasserstoffatom „spürt“ die Größe des Protons, was sich in minimalen Verschiebungen der Energieniveaus zeigt. Seit vielen Jahrzehnten ergaben unzählige Messungen an Wasserstoff einen konsistenten Protonenradius. Spektroskopische Untersuchungen am sogenannten myonischen Wasserstoff, in dem das Elektron durch seinen 200mal schwereren Zwilling – das Myon – ersetzt wurde, warfen jedoch ein Rätsel auf, das die Wissenschaft seither bewegt. Die Messungen wurden im Jahr 2010 in der Zusammenarbeit mit Randolf Pohl, damals Gruppenleiter in der AG Hänsch am MPQ und heute Professor an der Johannes-Gutenberg-Universität in Mainz, durchgeführt. Der Wert für den Protonenradius, der aus diesen Experimenten abgeleitet werden kann, ist um vier Prozent kleiner als der aus dem gewöhnlichen Wasserstoff. Glaubt man allen Experimenten, so ergibt sich ein Widerspruch zur Theorie der Quantenelektrodynamik, denn die Messungen im myonischen und regulären Wasserstoff müssen denselben Protonenradius liefern, wenn die Formeln der Theorie stimmen. In der Folge motivierte dieses “Protonenradius-Rätsel” neue Präzisionsmessungen auf der ganzen Welt. Während jedoch neue Messungen aus Garching und Toronto den kleineren Protonenradius bestätigten, stützte eine Messung aus Paris hingegen wieder den größeren Protonenradius.

Vergleich der Messungen

Die Wissenschaft lebt von unabhängigen Vergleichen. Deswegen wollte das Garchinger Team um Alexey Grinin, Arthur Matveev und Thomas Udem aus der Abteilung Laserspektroskopie von Theodor Hänsch denselben Übergang wie in Paris mit einer ganz anderen und damit komplementären Methode vermessen. Es gelang ihnen nun mit Hilfe der sogenannten Doppler-freien Zwei-Photonen Frequenzkamm-Spektroskopie, die Genauigkeit um einen Faktor vier zu verbessern. Damit war das Ergebnis für den Protonenradius doppelt so genau wie alle bis dahin durchgeführten Messungen am Wasserstoff zusammen. Zum ersten Mal wurde damit die Quantenmechanik auf der dreizehnten Nachkommastelle überprüft. Der auf diese Weise bestimmte Wert für den Protonenradius bestätigt den kleineren Protonenradius und schließt dadurch einen Fehler in der Theorie als Ursache aus. Denn für den gleichen Übergang müssen die experimentellen Ergebnisse, unabhängig von der Theorie, übereinstimmen. Die folgende Grafik (Fig. 1) zeigt die aktuelle Situation.

Die Abbildung stellt verschiedene Ergebnisse für den Protonenradius in Femtometer [fm], d.h. 10-15m, gegenüber. Der neue Wert aus dem 1S-3S Übergang im gewöhnlichen Wasserstoff liegt näher an dem Wert, der aus dem 2S-2P Übergang im myonischen Wasserstoff ermittelt wurde. Dieses exotische Atom lässt sich zwar nur für die kurze Zeit von zwei millionstel Sekunden erzeugen, ist jedoch besonders „empfindlich“ auf den Protonenradius. Daher hat es die kleinsten Messfehler (horizontale schwarze Fehlerbalken). Um etwas über die Gültigkeit der Quantenelektrodynamik aussagen zu können müssen mehrere unabhängige Messungen verglichen werden. Stimmt die Theorie und deren Anwendung, und sind die Experimente korrekt ausgeführt, so sollte sich stets derselbe Wert für den Protonenradius ergeben. Dies ist, wie man im Bild sieht, nicht der Fall. Mit dem Bekanntwerden dieses Problems ließ diese Diskrepanz – das Protonenrätsel – die Vermutung zu, mit der Quantenelektrodynamik, der genauesten physikalischen Theorie, könne es ein grundlegendes Problem geben. Das neue nun publizierte Ergebnis deutet wiederum an, dass das Problem von experimenteller und nicht fundamentaler Natur ist. Die Quantenelektrodynamik hätte damit ein weiteres Mal triumphiert.

Neuer Meilenstein in der Frequenzkammspektroskopie

Der Erfolg der hier durchgeführten Frequenzkammspektroskopie ist auch aus einem anderen Grund ein wichtiger Meilenstein der Wissenschaft. Präzisionsspektroskopische Untersuchungen am Wasserstoff und anderen Atomen und Molekülen wurden bis jetzt fast ausschließlich mit Dauerstrichlasern durchgeführt. Im Gegensatz dazu wird der Frequenzkamm von einem gepulsten Laser erzeugt. Mit solchen ist es möglich, zu wesentlich kürzeren Wellenlängen bis in den extremen ultravioletten Bereich vorzudringen. Mit Dauerstrichlasern erscheint das bislang aussichtslos. Hochinteressante Ionen, wie das wasserstoffartige Helium-Ion, haben in diesem Spektralbereich ihre Übergänge, können aber bisher auch mehr als 100 Jahre nach der Entwicklung der ersten Quantentheorie nicht präzise, d.h. mit Laserlicht untersucht werden. Das nun vorgestellte Experiment ist ein wesentlicher Schritt diese unbefriedigende Situation zu ändern. Außerdem besteht die Hoffnung, mit diesen ultravioletten Frequenzkämmen biologisch und chemisch wichtige Elemente wie Wasserstoff und Kohlenstoff direkt mit Laserlicht kühlen zu können und sie damit noch präziser untersuchen zu können.

Fakten, Hintergründe, Dossiers
  • Frequenzkamm-Spektroskopie
  • Quantenmechanik
  • Frequenzkämme
Mehr über MPI für Quantenoptik
  • News

    Neuartiges Lichtmikroskop mit einer Auflösung von einigen zehn Pikometern

    Lichtmikroskope ermöglichen es uns, winzige Objekte wie lebende Zellen sehen zu können. Bislang ist es nicht möglich, die viel kleineren Elektronen zwischen den Atomen in Festkörpern zu beobachten. Wissenschaftler aus den Arbeitsgruppen von Professor Eleftherios Goulielmakis vom Institut fü ... mehr

    Ultraschneller Blick in die Photochemie der Atmosphäre

    Kleinste Phänomene im Nanokosmos bestimmen unser Leben. Vieles, was wir in der Natur beobachten, beginnt als elementare Reaktion von Atomen oder Molekülen auf den Einfluss von Strahlung. Einen dieser Prozesse hat das Team um Professor Matthias Kling und Dr. Boris Bergues vom Labor für Attos ... mehr

    Molekülarchitekturen aus Atomen modelliert

    Neue Wirkstoffe suchen, neue Verfahren in der chemischen Industrie entwickeln: Computersimulation von Molekülen oder Reaktionen sollen derlei beschleunigen. Doch selbst Supercomputer stoßen dabei schnell an Grenzen. Einen alternativen, analogen Weg zeigen nun Forscher des Max-Planck-Institu ... mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Institut für Quantenoptik

    Die Wechselwirkung von Licht und Materie unter extrem kontrollierten Bedingungen ist das gemeinsame Kennzeichen der fünf wissenschaftlichen Abteilungen am Max-Planck-Institut für Quantenoptik. Die Abt. Laserspektroskopie befasst sich mit der hochpräzisen Vermessung der Spektrallinien von Wa ... mehr

Mehr über Max-Planck-Gesellschaft
  • News

    Neue Klasse von stabilen Nickel-Komplexen entwickelt

    60 Jahre nach Entdeckung des Nickeleffektes am MPI für Kohlenforschung hat das Team um Josep Cornellà am Mülheimer Institut nun einfach herzustellende und stabile Nickel-Stilben Komplexe entwickelt. Die Komponenten sorgen bei Anwendern für hohe Aufmerksamkeit und die Lizensierung läuft äuße ... mehr

    Superintelligente Maschinen wären nicht kontrollierbar

    Maschinen, die Autos steuern, Symphonien komponieren oder Menschen im Schach besiegen, faszinieren uns. Während in der Künstlichen Intelligenz (KI) ständig neue Fortschritte gemacht werden, gibt es von Seiten der Wissenschaft und der Philosophie auch Warnungen vor den Gefahren einer unkontr ... mehr

    'Kicken' der Atome induziert transparenten Zustand

    Alle photoelektronischen Geräte funktionieren auf der Grundlage, dass die Materialien in ihnen Licht absorbieren, übertragen und reflektieren. Das Verständnis der Photoeigenschaften eines bestimmten Materials auf atomarer Ebene hilft nicht nur bei der Auswahl geeigneter Materialien für eine ... mehr

  • Videos

    Katalysatoren - Multitalent Katalysator

    Kaum ein Prozess in der chemischen Industrie läuft ohne Katalysatoren. Sie beschleunigen chemische Reaktionen und helfen so, Energie zu sparen und unerwünschte Nebenprodukte zu vermeiden. Viele Reaktionen werden durch Katalysatoren aber auch praktisch erst möglich. mehr

    STED - Lichtblicke in die Nanowelt

    Details die enger als 200 Nanometer beieinander liegen, können mit optischen Mikroskopen nicht mehr unterschieden werden – das entspricht in etwa dem Zweihunderdstel einer Haaresbreite. Grund dafür ist die Wellennatur des Lichts, dessen halbe Wellenlänge in etwa diesen 200 Nanometern entspr ... mehr

    Tuning für Brennstoffzelle

    Die Brennstoffzelle kann klimaschonenden Strom erzeugen, vor allem wenn sie mit Wasserstoff aus regenerativen Quellen wie etwa aus Biomasse betrieben wird. Damit sie aber auch mit Brennstoff aus Holzabfällen oder Stroh optimal arbeitet, benötigt sie eine ausgeklügelte Steuerung. mehr

  • White Paper

    Die Keimzelle der Biobatterie

    Um überschüssigen Strom von Windkraft- und Solaranlagen aufzuheben sind leistungsfähige Batterien und Kondensatoren aus nachhaltigen Materialien gefragt. mehr

  • Forschungsinstitute

    Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften e.V.

    Max-Planck-Institute betreiben Grundlagenforschung in den Natur-, Bio-, Geistes- und Sozialwissenschaften im Dienste der Allgemeinheit. Die Max-Planck-Gesellschaft greift insbesondere neue, besonders innovative Forschungsrichtungen auf, die an den Universitäten in Deutschland noch keinen od ... mehr