Eine Illustration eines Protons Altayb/iStock
Protonen sind unglaublich klein. Ein Femtometer ist das Maß für ein Billiardstel Meter, und neuere Messungen zeigen, dass Protonen einen Radius von 0,84 Femtometern haben.
Noch vor wenigen Jahren glaubte man jedoch, dass die kleinen Partikel 0,88 Femtometer messen. Obwohl dieser winzige Unterschied so gering ist, dass er praktisch nicht wahrnehmbar ist, löste er in der wissenschaftlichen Gemeinschaft viele Diskussionen aus, von denen einige sogar Änderungen fordertendas Standardmodell der Teilchenphysik.
Nun haben Physiker der Universität Bonn und der Technischen Universität Darmstadt eine Methode entwickelt, mit der sie alte und neue Messstudien mit bisher unerreichter Genauigkeit überarbeiten konnten, eine Presseerklärung enthüllt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass möglicherweise Fehler bei der Interpretation älterer Daten aufgetreten sind, was bedeutet, dass beide Messungen korrekt waren, aber die neueren Ergebnisse aus dem Jahr 1990 lieferten wahrscheinlich die richtige Interpretation. Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in Physische Überprüfungsschreiben.
„Unsere Analysen weisen darauf hin, dass [der] Unterschied zwischen altem und neuem Messwert überhaupt nicht besteht“, erklärt Prof. Dr. Ulf Meißner vom Helmholtz-Institut für Strahlen- und Kernphysik der Universität Bonn. „Stattdessendie älteren Werte waren mit einem systematischen Fehler behaftet, der bisher deutlich unterschätzt wurde."
Messung eines mikroskopischen Partikels
Protonen bilden zusammen mit Neutronen unsere alltägliche Angelegenheit, was bedeutet, dass die neuen Erkenntnisse weitreichende Auswirkungen auf unser Verständnis der Teilchenphysik haben könnten. Um den Radius eines Protons zu messen, beschießen Forscher das Teilchen mit einem Elektronenstrahl in einem Beschleuniger. Sobald ein Elektron mit dem Proton kollidiert, beidesRichtungsänderung in einem Prozess namens elastische Streuung. Dies tritt häufiger auf, je größer ein Proton ist, was bedeutet, dass die Ausdehnung des Teilchens berechnet werden kann, indem gemessen wird, wie viel elastische Streuung im Beschleuniger stattfindet.
Die Forscher schufen eine theoretische Grundlage, die berücksichtigt, dass Elektron und Proton beim Zusammenstoß neue Teilchen bilden können. Aufgrund dieses Phänomens konnten bisherige Messungen nur mit Beschleunigerdaten durchgeführt werden, bei denen Elektronen eine relativ niedrige Energie hatten.
„Wir haben eine theoretische Grundlage entwickelt, mit der sich solche Ereignisse auch zur Berechnung des Protonenradius nutzen lassen“, sagt Prof. Dr. Hans-Werner Hammer von der TU Darmstadt. „So können wir bisherige Daten berücksichtigenausgelassen.“ Mit ihrer neuen Methode analysierten sie sowohl ältere als auch neuere Messwerte erneut. Sie bestätigten, dass das Proton etwa 5 Prozent kleiner zu sein scheint, als man zuvor in den 1990er und 2000er Jahren angenommen hatte.