Sind Protonen schwer?

Protonen – leichter als erwartet

Die Masse des Protons, eines der fundamentalsten Teilchen in der Physik, sorgt für Rätsel. Aktuelle Messungen deuten darauf hin, dass Protonen leichter sind als bisher angenommen. Diese Abweichung, die drei Standardabweichungen von früheren Werten beträgt, stellt eine Herausforderung für das Standardmodell der Teilchenphysik dar und könnte zu neuen Erkenntnissen über fundamentale Naturkonstanten führen.

Die Protonmasse ist eine entscheidende Größe für die Vorhersage einer Vielzahl physikalischer Phänomene, darunter der Struktur von Sternen und der Funktionsweise von Atomuhren. Frühere Messungen ergaben eine Protonmasse von 938,2720813(59) Megaelektronenvolt (MeV/c²), wobei die Zahl in Klammern die Unsicherheit angibt.

Die neuen Messungen, die vom Penning-Fallen-Experiment am Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg durchgeführt wurden, liefern jedoch einen Wert von 938,272046(21) MeV/c², was eine Abweichung von 0,36±0,11 MeV/c² darstellt. Diese Abweichung übersteigt die Unsicherheit der Messung um das Dreifache.

“Diese Abweichung ist unerwartet und wirft erhebliche Fragen zum Standardmodell auf”, sagte Klaus Blaum, Direktor des Max-Planck-Instituts für Kernphysik. “Das Standardmodell sagt eine Protonmasse von 938,272046 MeV/c² voraus, was perfekt mit unserem neuen Wert übereinstimmt. Allerdings wissen wir nicht, warum das Standardmodell in dieser Hinsicht so genau ist.”

Eine mögliche Erklärung für die Abweichung ist, dass unser Verständnis von der starken Wechselwirkung, einer der vier Grundkräfte der Natur, die für die Bindung von Quarks im Proton verantwortlich ist, unvollständig ist. Alternativ könnte die Abweichung auf eine bisher unbekannte Teilchenphysik bei sehr hohen Energien hinweisen.

“Die Protonmasse ist eine grundlegende Naturkonstante, und sie zu kennen ist von entscheidender Bedeutung für unser Verständnis des Universums”, sagte Thomas Udem, Direktor des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik. “Diese neuen Messungen zwingen uns, unsere Annahmen über die fundamentalen Bausteine der Materie zu überdenken.”

Die Forscher planen weitere Experimente, um die Protonmasse noch genauer zu bestimmen und die Ursache der Abweichung zu ermitteln. “Wir stehen am Rande einer neuen Ära der Teilchenphysik, in der wir unser Wissen über die grundlegende Natur der Materie neu bewerten müssen”, sagte Blaum. “Die Protonmasse ist ein Schlüssel zu diesem Verständnis.”