Protonen bilden zusammen mit Neutronen den Atomkern und sind damit Grundbausteine aller Materie. Ihre Eigenschaften prägen aber nicht nur das Verhalten von Atomen, sondern bilden auch die Grundlage für Naturkonstanten wie die Rydberg-Konstante. Mit ihr lassen sich beispielsweise Spektrallinien bestimmten Elementen zuordnen. Bei welcher Energie Atome bestimmte Anregungszustände einnehmen, wird zudem von der Quantenelektrodynamik (QED) beschrieben – einer der Säulen des physikalischen Standardmodells. Entsprechend wichtig ist es, Masse und Ladungsradius des Protons möglichst genau zu kennen. Doch seit Jahren ergeben verschiedene Messmethoden und Experimente für den Protonenradius voneinander und vom langjährigen Referenzwert abweichende Werte. 2022 wurde dieser Referenzwert deshalb heruntergesetzt auf 0,841 Femtometer. Dennoch gibt es weiterhin einige Diskrepanzen.
Protonenmessung am angeregten Wasserstoff
Deshalb haben nun Physiker um Lothar Maisenbacher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching den Protonenradius bei atomarem Wasserstoff erneut überprüft – mit der bisher genauesten Messmethode. Dafür nutzten sie die sogenannte Doppler-freie Ein-Photon-Spektroskopie. Diese erlaubt es, Energieübergänge des Wasserstoffs mit geringer Verzerrung durch den Doppler-Effekt hochgenau zu messen. Die Basis für diese Messung bildet ein auf 4,6 Kelvin heruntergekühlter Strahl von Wasserstoffatomen, die durch einen Laserpuls in einen Anregungszustand versetzt werden – das sogenannte 2S- 6P-Niveau. In der Testkammer fallen die Wasserstoffatome in zwei verschiedene niedrigere Energiezustände zurück. Die dabei in Form von Photonen freigesetzte Energie ermittelten die Physiker mithilfe der Spektroskopie. Durch Abgleich dieser Werte mit einem weiteren Frequenzübergang konnten sie daraus den Protonenradius ermitteln.
Das Ergebnis: Der Ladungsradius des Protons beträgt den neuen Messungen zufolge 0,8406 Femtometer. „Dieser Messwert ist 2,5-mal präziser als der nächstbeste für atomaren Wasserstoff und sechsmal genauer als unsere eigene Messung anhand des 2S-4P-Übergangs“, schreiben Maisenbacher und seine Kollegen. Die Auflösung der spektroskopischen Messung ist ihren Angaben zufolge so hoch, dass sie die Übergangsfrequenz bis auf ein 15.000stel der spektralen Linienbreite anzeigt. „Das ist unseres Wissens für die Laserspektroskopie bislang beispiellos“, so das Team. Noch wichtiger jedoch: Der neue Wert entspricht dem mit myonischem Wasserstoff gemessenen Protonenradius und liegt sehr nahe am offiziellen Referenzwert von 2022. Damit bestätigt dieses Resultat, dass der Protonenradius geringer ist als lange gedacht, stützt aber die Ergebnisse neuerer Messungen und den neuen Referenzwert.
Standardmodell bis aufs Trillionstel bestätigt
Im nächsten Schritt nutzten die Physiker ihre Messwerte, um auch das Standardmodell der Teilchenphysik und im Speziellen die Quantenelektrodynamik zu überprüfen. Denn dies sagt voraus, bei welcher Energie atomare Übergänge zwischen verschiedenen Quantenzuständen stattfinden müssten. „Weil Wasserstoff relativ simpel ist und sich daher sehr gut berechnen lässt, konnten wir damit die QED und somit das Standardmodell testen“, erklärt Co-Autor Randolf Pohl von der Universität Mainz. Die Analysen ergaben, dass die gemessene Frequenz für den 2S-6P-Übergang des Wasserstoffs nahezu perfekt mit den Voraussagen des Standardmodells übereinstimmt. Beide Werte weichen erst in der 13. Nachkommastelle voneinander ab. „Dies entspricht einem Test des Standardmodells mit der Präzision von 0,7 parts per trillion (ppt)“, schreiben Maisenbacher und sein Team. Das sei ein neuer Maßstab hinsichtlich der Vermessung der Energieniveaus im Wasserstoffatom.
Wie die Physiker erklären, kann die von ihnen entwickelte Methode nun auch zur Überprüfung anderer Energieübergänge im atomaren Wasserstoff oder in Deuterium eingesetzt werden. „Zusammen mit komplementären Ansätzen erwarten wir uns davon substanzielle Fortschritte für Tests der Quantenelektrodynamik in gebundenen Zuständen“, so das Team.
Quelle: Lothar Maisenbacher (Max-Planck-Institut für Quantenoptik, Garching) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10124-3
