Grösse des Heliumkerns genauer gemessen als je zuvor

Helium ist nach Wasserstoff das zweithäufigste Element im Universum. Rund ein Viertel der Atomkerne, die in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden, waren Heliumkerne. Diese bestehen aus vier Bausteinen, nämlich zwei Protonen und zwei Neutronen. Für die Grundlagenphysik ist es entscheidend, die Eigenschaften des Heliumkerns zu kennen, unter anderem um die Vorgänge auch in anderen Atomkernen, die schwerer als Helium sind, zu verstehen. «Der Heliumkern ist ein sehr fundamentaler Kern, den man als magisch bezeichnen könnte», sagt Aldo Antognini, Physiker am PSI und an der ETH Zürich. Sein Kollege und Mitautor Randolf Pohl von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland ergänzt: «Unser bisheriges Wissen über den Heliumkern stammt aus Experimenten mit Elektronen. Wir haben jedoch am PSI erstmals eine neuartige Messmethode entwickelt, die eine viel bessere Genauigkeit erlaubt.»

Der internationalen Forschungszusammenarbeit ist es damit gelungen, die Grösse des Heliumkerns rund fünfmal genauer zu bestimmen, als dies in bisherigen Messungen möglich war. Die Gruppe veröffentlicht ihre Resultate heute im renommierten Fachmagazin Nature. Danach beträgt der sogenannte mittlere Ladungsradius des Heliumkerns 1,67824 Femtometer (1 Billiarde Femtometer ergeben 1 Meter).

«Die Idee, die hinter unseren Experimenten steckt, ist einfach», erklärt Antognini. Normalerweise umkreisen zwei negativ geladene Elektronen den positiv geladenen Heliumkern. «Wir arbeiten nicht mit normalen, sondern mit exotischen Atomen, bzw. Ionen, bei denen beide Elektronen durch ein einzelnes Myon ersetzt wurden», sagt der Physiker. Das Myon gilt als schwerer Bruder des Elektrons; es gleicht ihm zwar, ist aber rund 200-mal schwerer. Ein Myon ist viel stärker an den Atomkern gebunden als ein Elektron und umkreist diesen in viel engeren Bahnen. Ein Myon kann sich – im Vergleich zu Elektronen – mit sehr viel höherer Wahrscheinlichkeit auch im Kern selber aufhalten. «So können wir bei myonischem Helium Rückschlüsse auf die Struktur des Atomkerns ziehen und dessen Eigenschaften messen», erklärt Antognini.

Langsame Myonen, kompliziertes Lasersystem

Die Myonen werden am PSI mithilfe eines Teilchenbeschleunigers produziert. Die Spezialität der Anlage: Es werden Myonen mit niedriger Energie erzeugt. Diese Teilchen sind langsam und lassen sich in den Apparaturen für Experimente stoppen. Nur so können die exotischen myonischen Heliumionen gebildet werden, bei denen ein Myon die Elektronen aus ihren Bahnen wirft und ersetzt. Schnelle Myonen würden dagegen durch die Apparatur hindurchfliegen. Die PSI-Anlage liefert weltweit mehr niederenergetische Myonen als alle anderen vergleichbaren Anlagen. «Deshalb kann das Experiment mit dem myonischen Helium nur hier durchgeführt werden», sagt Franz Kottmann, der seit 40 Jahren die nötigen Vorstudien und technischen Entwicklungen für dieses Experiment vorangetrieben hat.

Die Myonen treffen auf eine kleine, mit Heliumgas gefüllte Kammer. Stimmen die Bedingungen, entsteht myonisches Helium, bei dem sich das Myon in einem Energiezustand befindet, in dem es sich häufig im Atomkern aufhält. «Nun kommt der zweite, wichtige Baustein für das Experiment zum Zuge: das Lasersystem», erklärt Pohl. Das komplizierte System schiesst einen Laserpuls auf das myonische Heliumion. Hat das Laserlicht die richtige Frequenz, und nur dann, so regt es das Myon an und befördert es in einen höheren Energiezustand, bei dem seine Bahn praktisch immer ausserhalb des Kerns verläuft. Wenn es aus diesem in den Grundzustand hinunterfällt, sendet es Röntgenlicht aus. Detektoren registrieren diese Röntgensignale.

Im Experiment wird die Laserfrequenz so lange variiert, bis viele Röntgensignale eintreffen. Physiker sprechen dann von der sogenannten Resonanzfrequenz. Mit ihrer Hilfe lässt sich dann die Differenz zwischen den zwei energetischen Zuständen des Myons im Atom bestimmen. Laut Theorie hängt dieser gemessene Energieunterschied davon ab, wie gross der Atomkern ist. Aus den theoretischen Gleichungen lässt sich deshalb mithilfe der gemessenen Resonanzfrequenz der Radius des Heliumkerns bestimmen. Diese Analyse der Daten erfolgte in der Gruppe von Randolf Pohl in Mainz.

Protonenradius-Rätsel verblasst

Bereits 2010 hatten die Forschenden am PSI auf die gleiche Weise den Radius des Protons gemessen. Ihr Wert stimmte damals nicht mit demjenigen überein, den andere Messmethoden geliefert hatten. Man sprach vom Protonenradius-Rätsel und manche spekulierten, dass eine neue Physik in Form einer bisher unbekannten Wechselwirkung zwischen dem Myon und dem Proton dahinterstecken könnte. Diesmal gibt es keinen Widerspruch zwischen dem neuen, präziseren Wert und den Messungen mit anderen Methoden. «Damit wird die Erklärung der Ergebnisse mit neuer Physik jenseits des bisherigen Standardmodells unwahrscheinlicher», sagt Kottmann. Zudem näherte sich in den letzten Jahren der mit anderen Methoden bestimmte Wert des Protonenradius der präzisen Zahl des PSI. «Das Protonenradius-Rätsel existiert zwar noch, aber es verblasst langsam», bilanziert Kottmann.

«Unsere Messung kann auf verschiedene Weise genutzt werden», sagt Julian Krauth, Erstautor der Studie: «So ist der Radius des Heliumkerns ein wichtiger Prüfstein für die Kernphysik.» Die Atomkerne werden durch die sogenannte starke Wechselwirkung zusammengehalten, eine der vier Grundkräfte der Physik. Mit der Theorie der starken Wechselwirkung, Quantenchromodynamik genannt, möchten Physiker den Radius des Heliumkerns und anderer leichter Atomkerne mit wenigen Protonen und Neutronen voraussagen können. Der äusserst präzise gemessene Wert des Heliumkern-Radius stellt diese Voraussagen auf die Probe. Damit lassen sich auch neue theoretische Modelle der Kernstruktur testen, um Atomkerne so noch besser zu verstehen.

Die Messungen an myonischem Helium können aber auch verglichen werden mit Experimenten mit normalen Heliumatomen und -ionen. An diesen lassen sich mit Lasersystemen ebenfalls Energieübergänge auslösen und messen – hier allerdings von Elektronen anstatt Myonen. Die Messungen an elektronischem Helium sind gerade im Gange. Vergleicht man dann die Resultate beider Messungen, lassen sich Rückschlüsse auf fundamentale Naturkonstanten ziehen, wie die Rydberg-Konstante, die in der Quantenmechanik eine wichtige Rolle spielt.

Zusammenarbeit mit langer Tradition

Während die Messung des Protonenradius erst nach langwierigen Versuchen gelungen war, klappte das Heliumkern-Experiment auf Anhieb. «Wir hatten Glück, dass alles reibungslos verlief», erzählt Antognini, «denn mit unserem Lasersystem sind wir an der Grenze der Technologie, da kann leicht etwas kaputtgehen.»

«Noch schwieriger wird das bei unserem neuen Projekt», fügt Karsten Schuhmann von der ETHZ hinzu. «Hier widmen wir uns nun dem magnetischen Radius des Protons. Und dafür müssen die Laserpulse noch einmal zehnfach energiereicher sein!»

Das jetzige Ergebnis ist das Resultat einer 20-jährigen, bewährten Zusammenarbeit zwischen international renommierten Instituten wie dem PSI, der ETH Zürich, dem Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München, dem Institut für Strahlwerkzeuge der Universität Stuttgart, dem Exzellenzcluster PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz sowie dem Laboratoire Kastler Brossel und dem CNRS in Paris, den Universitäten von Coimbra und Lissabon in Portugal und der National Tsing Hua University in Taiwan. Gefördert wurde die Arbeit unter anderem vom European Research Council, dem Schweizerischen Nationalfonds und der Deutschen Forschungsgemeinschaft.

Text: Barbara Vonarburg

Über das PSI

Das Paul Scherrer Institut PSI entwickelt, baut und betreibt grosse und komplexe Forschungsanlagen und stellt sie der nationalen und internationalen Forschungsgemeinde zur Verfügung. Eigene Forschungsschwerpunkte sind Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2100 Mitarbeitende, das damit das grösste Forschungsinstitut der Schweiz ist. Das Jahresbudget beträgt rund CHF 400 Mio. Das PSI ist Teil des ETH-Bereichs, dem auch die ETH Zürich und die ETH Lausanne angehören sowie die Forschungsinstitute Eawag, Empa und WSL. (Stand 05/2020)