Präzisionstest für das Standardmodell: Protonenradius-Rätsel gelöst

Forschenden am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching ist unter Beteiligung von Prof. Dr. Randolf Pohl der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ein Durchbruch gelungen. Durch Experimente an Wasserstoffatomen konnten sie das Standardmodell der Teilchenphysik auf 13 Nachkommastellen genau überprüfen – das bislang exakteste Ergebnis für Messungen dieser Art. Die in der Zeitschrift Nature veröffentlichten Resultate ermöglichten es, theoretische Vorhersagen zu verifizieren und das langjährige Protonenradius-Rätsel zu lösen. Dieses war entstanden, nachdem Messungen an zwei verschiedenen Wasserstoffarten auf widersprüchliche Radien des Protons hingedeutet hatten.

Neuer Maßstab bei der Vermessung der Energieniveaus des Wasserstoffatoms

Das Standardmodell der Teilchenphysik vereint Teilchen und Kräfte auf kleinster Skala, wobei die Quantenelektrodynamik (QED) die grundlegende Interaktion zwischen Licht und Materie beschreibt. „Weil Wasserstoff relativ simpel ist und sich also sehr gut berechnen lässt, konnten wir damit die QED und somit das Standardmodell testen“, sagt Pohl. Hierzu analysierten die Wissenschaftler mittels hochpräziser Laserspektroskopie die energetische Struktur des Wasserstoffs, indem sie die Übergangsfrequenz zwischen zwei Energieniveaus bestimmten. Die Messung bestätigt das Standardmodell mit einer minimalen Abweichung von weniger als einem Trillionstel und setzt damit neue Maßstäbe. „Die Messung ist genauso gut wie der Goldstandard zur Bestätigung des Standardmodells, der durch das anomale magnetische Moment des Elektrons erreicht wird“, so Pohl weiter.

Dank dieser Präzision ließen sich Vorhersagen verifizieren, die in gewöhnlichem Wasserstoff bislang unbestätigt blieben. „Wir können sehr kleine, äußerst interessante Beiträge sehen, die aus der Interaktion mit komplexeren Teilchen, sogenannten Hadronen, stammen“, erklärt Dr. Lothar Maisenbacher. Dr. Vitaly Wirthl ergänzt: „In den Beiträgen zur Übergangsfrequenz sehen wir erstmals Myonen im elektronischen Wasserstoff. In der Theoie erzeugen Myonen-Antimyonen-Teilchenpaare einen Beitrag zu der Vakuumpolarisation, die für die Präzision unserer Messung relevant ist.“

Die Auflösung einer alten Unstimmigkeit

Neben den Tests an Standardmodell und QED nutzten die Forschenden die Übergangsfrequenz, um den Protonenradius von gewöhnlichem und myonischem Wasserstoff zu bestimmen. Frühere Messungen hatten auf eine Unstimmigkeit zwischen beiden Wasserstoffarten hingedeutet, wobei myonischer Wasserstoff anstelle eines Elektrons ein Myon besitzt. Dieses Teilchen gleicht dem Elektron in seiner Ladung, ist jedoch über 200-mal schwerer und existiert nur zwei Mikrosekunden lang. Dank der aktuellen Messdaten konnte diese Diskrepanz nun erstmals signifikant ausgeschlossen werden: Der Protonenradius liegt bei beiden Arten einheitlich bei 0,8406 Femtometern. Unklar bleibt allerdings weiterhin, wie sich die früher gemessene Unstimmigkeit erklären lässt.

Quelle

Johannes Gutenberg-Universität Mainz (03/2026)