Grösse des Heliumkerns genauer gemessen als je zuvor

Helium ist nach Wasserstoff das zweith?ufigste Element im Universum. Rund ein Viertel der Atomkerne, die in den ersten Minuten nach dem Urknall entstanden, waren Heliumkerne. Diese bestehen aus vier Bausteinen, n?mlich zwei Protonen und zwei Neutronen. F¨¹r die Grundlagenphysik ist es entscheidend, die Eigenschaften des Heliumkerns zu kennen, unter anderem um Vorg?nge in anderen Atomkernen zu verstehen. ?Der Heliumkern ist ein sehr fundamentaler Kern?, sagt Aldo Antognini, Physiker am PSI und an der ETH Z¨¹rich.

Der internationalen Forschungskollaboration ist es nun gelungen, die Gr?sse des Heliumkerns rund f¨¹nfmal genauer zu bestimmen, als dies in bisherigen Messungen m?glich war. Die Gruppe hat ihre Resultate heute im renommierten Fachmagazin externe Seite ?Nature? ver?ffentlicht. Danach betr?gt der sogenannte mittlere Ladungsradius des Heliumkerns 1,67824 Femtometer (1 Billiarde Femtometer ergeben 1 Meter).

?Die Idee hinter unseren Experimenten ist einfach?, erkl?rt Antognini. ?Normalerweise umkreisen zwei negativ geladene Elektronen den positiv geladenen Heliumkern. Doch f¨¹r unsere Experimente verwendeten wir nicht normale Atome, sondern exotische, bei denen beide Elektronen durch ein einzelnes Myon ersetzt wurden.? Das Myon gilt als schwerer Bruder des Elektrons; es gleicht ihm zwar, ist aber rund 200-mal schwerer als dieses. Deshalb ist ein Myon viel st?rker an den Atomkern gebunden als ein Elektron und umkreist diesen in viel engeren Bahnen. Ein Myon kann sich ¨C im Vergleich zu Elektronen ¨C mit sehr viel h?herer Wahrscheinlichkeit im Kern selber aufhalten. ?So k?nnen wir bei myonischem Helium R¨¹ckschl¨¹sse auf die Struktur des Atomkerns ziehen und dessen Eigenschaften messen?, erkl?rt Antognini.

Langsame Myonen, kompliziertes Lasersystem

Die Myonen werden am PSI mithilfe eines Teilchenbeschleunigers produziert. Die Spezialit?t der Anlage: Es werden Myonen mit niedriger Energie erzeugt. Diese Teilchen sind langsam und lassen sich in den Apparaturen f¨¹r Experimente stoppen. Nur so k?nnen die exotischen Atome gebildet werden, bei denen ein Myon ein Elektron aus seiner Bahn wirft und ersetzt. Schnelle Myonen w¨¹rden dagegen durch die Apparatur hindurchfliegen. Die PSI-Anlage liefert weltweit mehr niederenergetische Myonen als alle anderen vergleichbaren Maschinen. ?Deshalb kann das Experiment mit dem myonischen Helium nur hier durchgef¨¹hrt werden?, sagt Franz Kottmann, der seit 40 Jahren die notwendigen Vorarbeiten f¨¹r dieses Experiment vorangetrieben hat.

Die Myonen treffen im Experiment auf eine kleine, mit Heliumgas gef¨¹llte Kammer. Stimmen die Bedingungen, entsteht myonisches Helium, bei dem sich das Myon in einem Energiezustand befindet, in dem es sich h?ufig im Atomkern aufh?lt. ?Nun kommt der zweite wichtige Baustein f¨¹r das Experiment zum Zug: das Lasersystem?, erkl?rt Antognini. Das komplizierte System schiesst einen Laserpuls auf das Heliumgas. Hat das Laserlicht die richtige Frequenz, so regt es das Myon an und bef?rdert es in einen h?heren Energiezustand, bei dem seine Bahn praktisch immer ausserhalb des Kerns verl?uft. F?llt das Myon dann wieder in den Grundzustand zur¨¹ck, sendet es R?ntgenlicht aus, das sich von Detektoren registrieren l?sst.

Im Experiment wird die Laserfrequenz so lange variiert, bis m?glichst viele R?ntgensignale eintreffen. Physiker sprechen dann von der sogenannten Resonanzfrequenz. Mit ihrer Hilfe l?sst sich die Differenz zwischen den zwei energetischen Zust?nden des Myons bestimmen. Laut Theorie h?ngt der gemessene Energieunterschied von der Gr?sse des Atomkerns ab. Aus den theoretischen Gleichungen l?sst sich deshalb der Radius bestimmen. Die dazu notwendige Datenauswertung wurde von Randolf Pohls Gruppe an der Johannes Gutenberg Universit?t in Mainz durchgef¨¹hrt.

Pr¨¹fstein f¨¹r die Kernphysik

?Unsere Messung kann auf verschiedene Weise genutzt werden?, sagt Julian Krauth, Erstautor der Studie: ?So ist der Radius des Heliumkerns ein wichtiger Pr¨¹fstein f¨¹r die Kernphysik.? Die Atomkerne werden durch die sogenannte starke Wechselwirkung zusammengehalten, eine der vier Grundkr?fte der Physik. Mit der Theorie der starken Wechselwirkung, Quantenchromodynamik genannt, m?chten die Physiker den Radius des Heliumkerns und anderer leichter Atomkerne mit wenigen Protonen und Neutronen voraussagen k?nnen. Der ?usserst pr?zise gemessene Wert des Heliumkern-Radius stellt diese Voraussagen auf die Probe. Damit lassen sich auch neue theoretische Modelle der Kernstruktur testen und Atomkerne so noch besser verstehen.

Die Messungen an myonischem Helium k?nnen aber auch verglichen werden mit Experimenten mit normalen Heliumatomen und -ionen. An diesen lassen sich mit Lasersystemen ebenfalls Energie¨¹berg?nge ausl?sen und messen ¨C hier allerdings von Elektronen anstatt Myonen. Vergleicht man die Resultate beider Messmethoden, lassen sich R¨¹ckschl¨¹sse auf fundamentale Naturkonstanten ziehen, wie die Rydberg-Konstante, die in der Quantenmechanik eine Rolle spielt.