Neue Massstäbe in der Kernphysik: Forschende vermessen Atomkern mit beispielloser Präzision

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Villigen – In einem international beachteten Experiment hat ein Forschungsteam unter der Leitung des Paul Scherrer Instituts (PSI) den Ladungsradius des Helium-3-Kerns mit bislang unerreichter Genauigkeit bestimmt. Die im Fachjournal Science publizierte Studie markiert einen Meilenstein in der Atom- und Kernphysik – und setzt neue Standards für künftige Theorien und Experimente.

 

Präzision im Billionstel-Millimeter-Bereich

Mit einer ermittelten Grösse von exakt 1,97007 Femtometern – das entspricht rund einem Billiardstel Meter – liefert die Messung einen der genauesten bekannten Werte für einen Atomkern. Grundlage des Erfolgs ist die hochpräzise Laserspektroskopie an sogenanntem myonischem Helium-3, einem künstlich erzeugten Zustand, bei dem die Elektronen des Atoms durch ein rund 200-mal schwereres Myon ersetzt werden.

 

„Das Myon sitzt deutlich näher am Kern als ein Elektron“, erklärt PSI-Forscher und ETH-Professor Aldo Antognini, der das Experiment leitete. „Das ermöglicht uns eine viel genauere Bestimmung des Ladungsradius.“ Dieser Radius beschreibt die Ausdehnung der positiven Ladung im Atomkern und ist ein zentraler Parameter in der Kernphysik.

 

Weltweit einzigartige Infrastruktur

Ermöglicht wurde das Experiment durch die Protonenbeschleuniger-Anlage des PSI, die weltweit einzige Einrichtung, die langsam genug bewegte, negativ geladene Myonen in grosser Zahl erzeugen kann. Rund 500 Myonen pro Sekunde mit den für das Experiment nötigen Energieparametern standen zur Verfügung – eine technische Leistung, die international ihresgleichen sucht.

 

Zudem entwickelte das Team ein eigenes Lasersystem, das exakt im richtigen Moment einen Lichtpuls aussendet, sobald ein Myon in die Versuchskammer eintritt. Wird mit der Laserfrequenz die atomare Resonanz eines Übergangs exakt getroffen, sendet das Myon ein Röntgenphoton aus. Die Frequenz dieser Emission erlaubt Rückschlüsse auf den Kernradius – mit bisher unerreichter Genauigkeit.

 

Kein einmaliger Glückstreffer

Antognini ist kein Neuling auf diesem Gebiet. Bereits frühere Experimente mit myonischem Wasserstoff hatten zu kontrovers diskutierten, später jedoch bestätigten Ergebnissen geführt. Anders als damals stimmen die neuen Resultate von Helium-3 nun mit klassischen Messungen weitgehend überein – bei etwa 15-fach höherer Präzision.

 

„Die grosse Überraschung ist diesmal ausgeblieben, aber die Bedeutung bleibt enorm“, sagt Antognini. Die Messwerte liefern nicht nur eine neue Referenz für experimentelle Methoden, sondern auch einen harten Test für theoretische Modelle.

 

Impulse für das Standardmodell

Die gewonnenen Daten sind insbesondere für sogenannte ab-initio-Theorien bedeutsam – physikalische Modelle, die Systeme wie Atomkerne direkt aus den Grundgesetzen berechnen, ohne empirische Eingaben. Zudem ermöglichen die präzisen Radienvergleiche zwischen myonischen und herkömmlichen Helium-Atomen eine tiefgreifende Überprüfung der Quantenelektrodynamik (QED), der Theorie der elektromagnetischen Wechselwirkung. Im Idealfall könnten sie sogar Hinweise auf physikalische Phänomene jenseits des bekannten Standardmodells liefern.

 

Forschung geht weiter

Auch wenn mit der Vermessung von Helium-3 die Serie der leichten myonischen Atome abgeschlossen ist – die Forschung steht nicht still. Gruppen in Amsterdam, Garching, China sowie an der ETH Zürich arbeiten bereits an Folgeexperimenten. Am PSI bereitet Antognini mit seinem Team derzeit ein weiteres anspruchsvolles Vorhaben vor: die Untersuchung sogenannter Hyperfeinaufspaltungen in myonischem Wasserstoff und später in myonischem Helium. Diese Übergänge sind besonders empfindlich gegenüber den inneren Eigenschaften des Atomkerns und erfordern eine nochmals verbesserte Lasertechnologie – an deren Entwicklung bereits gearbeitet wird.

 

Hintergrund: Das Paul Scherrer Institut PSI

Das PSI ist das grösste Forschungsinstitut der Schweiz und betreibt einzigartige Grossanlagen für die nationale und internationale Wissenschaftsgemeinde. Schwerpunkte der Forschung sind Energietechnologien, Gesundheit, Klima und Grundlagenphysik. Mit rund 2’300 Mitarbeitenden und einem Jahresbudget von etwa 460 Millionen Franken ist das PSI Teil des ETH-Bereichs, zu dem auch die ETH Zürich, die EPFL sowie die Institute Eawag, Empa und WSL gehören.

 

 

Originalpublikation:

The helion charge radius from laser spectroscopy of muonic helium-3 ions,

Karsten Schuhmann et al., Science, 22.05.2025