Dreifach genauere Messung der Protonmasse erweitert Verständnis für Grundlagen der Physik
19.07.2017
Unsere gesamte sichtbare Welt ist aus Protonen, Neutronen und Elektronen aufgebaut. Daher ist es für die Physik enorm wichtig, die Eigenschaften dieser fundamentalen Teilchen möglichst genau zu kennen. Eine dieser relevanten Eigenschaften ist die Masse, also das Gewicht des Protons. Ein Team von Wissenschaftlern aus Mainz, Heidelberg, Darmstadt und Wako in Japan präsentiert nun die weltweit genaueste Messung der atomaren Masse des Protons. Die Genauigkeit beträgt dabei drei Milliardstel eines Prozents. Die Massenmessung erfolgte unter der Leitung von Dr. Sven Sturm vom Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg und wurde in der Fachzeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht. Das Experiment steht am Institut für Physik der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU).
Zur Bestimmung der Masse nutzten die Forscher sogenannte Penningfallen. Darin bewegen sich die Ionen auf Kreisbahnen mit ihrer Zyklotronfrequenz, die durch die Überlagerung von magnetischen und elektrischen Feldern hervorgerufen wird. Für das Experiment wurde ein einzelnes Proton zusammen mit einem einzelnen Kohlenstoffion als Referenzmasse in einem kryogenen Penningfallenturm bei minus 270 Grad Celsius im annährend perfekten Vakuum über mehrere Wochen gleichzeitig gespeichert. Dabei wurden die Zyklotronfrequenzen des Protons und des Kohlenstoffions mehrere hundertmal abwechselnd gemessen und verglichen. Daraus ergibt sich direkt die atomare Masse des Protons.
Die neue Massenmessung ist dabei nicht nur um das Dreifache genauer, sondern weicht außerdem um drei Standardabweichungen vom bisherigen Standardwert ab. Die neue Protonmasse ist 30 Milliardstel eines Prozents leichter als der bisherige Wert und wurde auf 1,007276466583(32) atomare Masseneinheiten vermessen. Der Wert in Klammern gibt dabei die Unsicherheit der letzten beiden Stellen an. Eine vergleichbar sensitive Waage würde eine zusätzliche Augenwimper auf einem Klavier erkennen.
Die signifikante Verbesserung wurde durch das ausgeklügelte Messkonzept erreicht. Durch das gleichzeitige Speichern der beiden Ionen wurden die Zeitabstände zwischen den Messungen im Vergleich zu anderen Experimenten sehr kurz; weitere störende Effekte wurden ebenfalls reduziert. Weshalb es die Abweichung zum bisher angenommenen Wert der Protonmasse gibt, ist indes noch ungeklärt. Unabhängig davon arbeitet das Team schon an neuen Methoden mit dem Ziel einer noch präziseren Messung.