Elementarteilchen auf der Waage: Das Proton ist signifikant leichter als bisher gedacht. Das belegt die bisher präziseste Messung der Protonenmasse. Dieser Unterschied manifestiert sich zwar erst ab der neunten Nachkommastelle, aber er entspricht immerhin drei Standardabweichungen, wie die Forscher berichten. Angesichts der fundamentalen Bedeutung der Protonenmasse für die Physik ist dies durchaus entscheidend.

Das Proton ist einer der Grundbausteine der Materie, zusammen mit dem Neutron bildet es die Atomkerne aller Elemente. Entsprechend wichtig sind die Eigenschaften des Protons für wichtige Grundprinzipien der Physik. So bestimmen seine Masse und sein Radius, wie die Elektronen um den Kern kreisen. Dies bildet die Basis für die Rydberg-Konstante, eine Naturkonstante, die unter anderem den Elementen ihre charakteristischen Spektrallinien verleiht. Die Massendifferenz zwischen Proton und Neutron spielt zudem eine entscheidende Rolle für die Stabilität der Atomkerne.

Wichtig ist die Protonmasse auch als Vergleichswert bei der Erforschung der Antimaterie. Denn in winzigen Massendifferenzen zwischen Proton und Antiproton könnte sich theoretisch der Symmetriebruch verbergen, der erklärt, warum die Materie im Universum die Oberhand gewann. Entsprechend wichtig ist es, die Masse des Protons möglichst genau zu kennen.

Penningfallen-Apparatur zur Bestimmung der Masse des Protons © MPI für Kernphysik

Protonen in der Teilchenfalle

Doch wie sich nun zeigt, könnte dieser wichtige Wert etwas zu hoch eingeschätzt worden sein. In ihrem Experiment haben Physiker um Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg die Masse des Protons so genau bestimmt wie nie zuvor. Möglich wurde dies mit Hilfe einer Penningfalle – einem Behälter, indem Teilchen durch elektrische und magnetischen Felder in der Schwebe gehalten werden.

Die wechselnden Felder lassen die Partikel seitlich hin und her schwingen, während sie sich in einem rotierenden Spiralkurs durch die Falle bewegen. Der Clou daran: Die Rate, mit der das Proton dabei rotiert, ist direkt proportional zu seinem Masse-Ladungsverhältnis. Für ihre Messung haben die Forscher die Messtechnik verfeinert. Sie verglichen die Bewegung der Protonen mit der eines Ions des Kohlenstoffisotops 12C (12C6+) und konnten so die Protonenmasse besonders genau bestimmen.

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„Zunächst haben wir je ein Proton und ein Kohlenstoffion (12C6+) in getrennten Abteilen unserer Penningfallen-Apparatur gespeichert, dann abwechselnd je eines der beiden Ionen in das in der Mitte liegende Messabteil geschleust und ihre Bewegung darin vermessen“, erklärt Sturm.

Huch, ich hab' abgenommen! Das Proton ist leichter als gedacht. © MPI für Kernphysik

Leichter als die bisherige Referenz

Das Ergebnis: Die von den Forschern gemessene Masse des Protons liegt bei 1,007276466583 atomaren Masseneinheiten (u). Dies ist signifikant leichter als der bisher als Referenz geltende Wert von 1.007276466879 u – auch wenn sich dieser Unterschied erst ab der neunten Nachkommastelle manifestiert. Der Unterschied entspricht damit drei Standardabweichungen, wie die Wissenschaftler erklären.

Das bedeutet, dass das Proton ein winziges Bisschen leichter ist als bisher angenommen. Wie die Forscher erklären, verschiebt sich damit auch das für das Atomverhalten wichtige Massenverhältnis von Proton zu Elektron und das von Proton zu Neutron – bei letzterem aber nur um eine Standardabweichung.

Dreimal präziser als bisherige Messungen

Um ganz sicher zu gehen, dass nicht systematische Messfehler zu dem niedrigeren Wert geführt haben, überprüften Wissenschaftler ihre Werte mehrfach durch den Vergleich auch mit anderen Ionen. Doch jedes Mal kamen sie auf die gleiche niedrigere Protonmasse. „Wir konnten keine systematischen Effekte aufdecken, die in unserer Methode begründet liegen“, so Sturm und seine Kollegen.

Hinzu kommt: Der neue Messwert bis auf 32 Billionstel präzise – und damit dreimal präziser als alle bisherigen Messungen, wie die Physiker berichten. Sie sind daher relativ zuversichtlich, dass ihr Wert eher der tatsächlichen Masse des Protons entspricht als die Referenz. (Physical Review Letters, 2017; doi: 10.1103/PhysRevLett.119.033001)

21. Juli 2017