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Pressemitteilung vom 7. März 2018

Pressemitteilung vom 6. Oktober 2017

Helmholtz-Preis 2018 für Axel Beyer und Lothar Maisenbacher

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik erhalten den Helmholtz-Preis für hochpräzise Laserspektroskopie an regulärem Wasserstoff, die den unerwartet kleinen Protonenradius von myonischem Wasserstoff bestätigt.

7. März 2018

Der diesjährige Helmholtz-Preis für „Präzisionsmessungen in der Grundlagenforschung“ geht an Dr. Axel Beyer und Lothar Maisenbacher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching. Die beiden Wissenschaftler aus der Abteilung Laserspektroskopie von Prof. Theodor W. Hänsch erhalten die Auszeichnung für die „präziseste Messung der Rydberg-Konstanten in Wasserstoff und wichtige Hinweise zur Lösung des Proton-Puzzles“. Der mit 20 000 Euro dotierte Helmholtz-Preis ist die höchste europäische Auszeichnung auf dem Gebiet der Metrologie. Er wird seit 1973 alle zwei bis drei Jahre gemeinsam vom Stifterverband und dem eng mit der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig verbundenen Helmholtz-Fonds für herausragende Präzisionsmessungen in der Physik, Chemie und Medizin vergeben. Die Preise werden am 17. Mai 2018 im Rahmen des 670. WE-Heraeus-Seminars „Fundamental Constants: Basic Physics and Units“ im Physikzentrum in Bad Honnef überreicht werden.
Dr. Axel Bayer
Dr. Axel Bayer

Wasserstoff ist das einfachste aller chemischen Elemente. Für die Energieniveaus dieses Systems liefert die Quantenelektrodynamik Vorhersagen, die mittlerweile auf 12 Dezimalstellen genau sind. Wasserstoff spielt deshalb eine Schlüsselrolle für unser Verständnis von der Natur. Durch den Vergleich zwischen Theorie und Experiment lassen sich fundamentale Größen wie die Rydberg-Konstante und der Ladungsradius des Protons bestimmen, von denen die theoretischen Vorraussagen abhängen. Hat man genügend Messdaten zur Verfügung, so lassen sich diese Konstanten auf verschiedene Weise bestimmen und durch Vergleich der Werte die Quantenelektrodynamik überprüfen.

Auf diese Weise ergaben sich aus Messungen an myonischem Wasserstoff, die im Jahre 2010 durchgeführt wurden, ein wesentlich kleiner Protonenradius als sich aus den Messungen an regulären Wasserstoff ermittelt wurde (Nature 466, 213 (2010)). Diese Abweichung gab Anlass zu zahlreichen Debatten über die möglichen Ursachen, bis hin zu möglichen Erweiterungen des Standardmodells der Physik. „Für die Auflösung des ‚Proton-Rätsels‘ ist es daher besonders wichtig, einzelne neue Messungen mit hoher Genauigkeit und, soweit möglich, anderen experimentellen Ansätzen durchzuführen“, betont Lothar Maisenbacher, Doktorand in der Abteilung Laserspektroskopie.

Lothar Maisenbacher
Lothar Maisenbacher

Um sowohl Rydberg-Konstante und als auch Protonenradius nur durch Spektroskopie an regulärem Wasserstoff zu bestimmen, müssen zwei verschiedene Übergangsfrequenzen gemessen werden. Als Eckpfeiler dient dabei die mit Abstand schärfste Resonanz, der sogenannte 1S-2S-Übergang, dessen Frequenz vom MPQ-Team 2011 mit Laserspektroskopie auf 15 Dezimalstellen genau gemessen wurde (Phys. Rev. Lett. 107, 203001 (2011)). Diese hohe Genauigkeit wurde nicht zuletzt durch die Entwicklung des Frequenzkamms möglich, für den Prof. Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielt. Als zweiten Übergang wählte das MPQ-Team den sogenannten 2S-4P-Übergang, der vom metastabilen 2S-Zustand in den deutlich kurzlebigeren 4P-Zustand führt.

Mit neuen Experimentiermethoden schafften es die Garchinger Physiker, die Frequenz des 2S-4P-Übergangs in Wasserstoff auf 2.3 kHz genau zu bestimmen, was einer relativen Messungenauigkeit von 4 x 10-12 entspricht. Diese Messung ist fast so genau wie alle anderen bisherigen Experimente an regulärem Wasserstoff zusammengenommen. Die daraus abgeleiteten Werte für die Rydbergkonstante und den Protonenradius stimmen sehr gut mit den Messungen an myonischem Wasserstoff überein, liegen aber 3,3 Standardabweichungen unter dem Mittel der bisherigen spektroskopischen Messungen an regulärem Wasserstoff (Science, 6. Oktober 2017). „Unsere Ergebnisse geben den Hinweis, dass die Diskrepanzen auf Messungenauigkeiten in früheren Experimenten zurückgehen könnten“, meint Prof. Thomas Udem, der Leiter des Projektes. „Doch um die Ursachen umfassend zu klären, benötigen wir weitere Messungen mit vielleicht noch höherer Genauigkeit.“ Olivia Meyer-Streng

 
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