Der goldene Schuss

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Von: Alexander Mäder

Am 3. Juli 2009 ist Randolf Pohl ein Jungforscher, dessen Karriere auf der Kippe steht. Am 4. Juli 2009 ist Randolf Pohl der Jungforscher, der die Physik erschüttern könnte. Im letzten Anlauf gelingt es seinem Team, das Proton genauer zu vermessen als jemals zuvor. Wenn die Ergebnisse stimmen, geht es auf atomarer Ebene womöglich ganz anders zu als gedacht. Fünf Jahre später weiß die Fachwelt immer noch nicht, wie sie mit seinen Daten umgehen soll. Pohl auch nicht. Aber er liefert schon mal neue.

Kurz vor Mitternacht machen die Physiker Pause. Sie sagen, sie würden etwas trinken gehen, aber sie haben keine Kneipe im Sinn, sondern den Automaten am Eingang der Experimentierhalle, der stilles, sprudeliges und gekühltes Wasser spendet. Sie müssen besprechen, wie es in dieser Nacht weitergehen soll, und sie haben schon seit Stunden nichts getrunken, denn das ist in der Halle verboten.

Sechs Studenten, Doktoranden und Nachwuchsforscher machen sich auf den Weg und passieren am Eingang einen Apparat, der die Radioaktivität an ihren Händen und Füßen misst. Nach fünf Sekunden erscheint die Meldung „Nicht kontaminiert“ auf dem Monitor.

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Und wenn da „kontaminiert“ erscheint? Dann misst man ein zweites Mal, sagt Teamleiter Randolf Pohl, und wenn nötig, auch ein drittes Mal. Dass eine Messung fehlschlägt, ist in der Physik nichts Ungewöhnliches. Vielleicht ist ein kosmisches Teilchen in den Detektor geflogen und hat ihn ausgelöst, während man seine Hände überprüfen ließ, wer weiß das schon. Bevor man sich Sorgen macht, wiederholt man die Messung eben. In den meisten Fällen löst sich das Problem dadurch in Luft auf. Und wenn der Detektor auch beim dritten Mal Radioaktivität registriert? „Dann ruft man ‚Alarm!‘“, sagt Pohl.

Auch mit seinen eigenen Messergebnissen geht Pohl so um. Er hätte allen Grund, selbst „Alarm!“ zu rufen, weil er etwas gemessen hat, was die Physik erschüttern könnte, doch er hält sich zurück. „Ich persönlich glaube, dass unsere Messung korrekt ist“, sagt er, „aber das heißt nichts.“ Mit seinen Kollegen hat Pohl vor fünf Jahren entdeckt, dass das Proton, ein Baustein aller Atomkerne, womöglich kleiner ist, als es im Lehrbuch steht. Seine Messung weicht nur vier Prozent vom etablierten Wert ab, etwa 70 billiardstel Meter, aber das ist in der Welt der Präzisionsphysik unerklärlich viel.

Pohls Veröffentlichung

The size of the proton

Randolf Pohl, Aldo Antognini, François Nez, Fernando D. Amaro, François Biraben, João M. R. Cardoso, Daniel S. Covita, Andreas Dax, Satish Dhawan, Luis M. P. Fernandes, Adolf Giesen, Thomas Graf, Theodor W. Hänsch, Paul Indelicato, Lucile Julien, Cheng-Yang Kao, Paul Knowles, Eric-Olivier Le Bigot, Yi-Wei Liu, José A. M. Lopes, Livia Ludhova, Cristina M. B. Monteiro, Françoise Mulhauser, Tobias Nebel, Paul Rabinowitz et al.

Abstract

The proton is the primary building block of the visible Universe, but many of its properties—such as its charge radius and its anomalous magnetic moment—are not well understood. The root-mean-square charge radius, rp, has been determined with an accuracy of 2 per cent (at best) by electron–proton scattering experiments. The present most accurate value of rp (with an uncertainty of 1 per cent) is given by the CODATA compilation of physical constants. This value is based mainly on precision spectroscopy of atomic hydrogen and calculations of bound-state quantum electrodynamics (QED). The accuracy of rp as deduced from electron–proton scattering limits the testing of bound-state QED in atomic hydrogen as well as the determination of the Rydberg constant (currently the most accurately measured fundamental physical constant3). An attractive means to improve the accuracy in the measurement of rp is provided by muonic hydrogen (a proton orbited by a negative muon); its much smaller Bohr radius compared to ordinary atomic hydrogen causes enhancement of effects related to the finite size of the proton. In particular, the Lamb shift10 (the energy difference between the 2S1/2 and 2P1/2 states) is affected by as much as 2 per cent. Here we use pulsed laser spectroscopy to measure a muonic Lamb shift of 49,881.88(76) GHz. On the basis of present calculations of fine and hyperfine splittings and QED terms, we find rp = 0.84184(67) fm, which differs by 5.0 standard deviations from the CODATA value3 of 0.8768(69) fm. Our result implies that either the Rydberg constant has to be shifted by −110 kHz/c (4.9 standard deviations), or the calculations of the QED effects in atomic hydrogen or muonic hydrogen atoms are insufficient.

Nature 466, 213–216, (08 July 2010), doi:10.1038/nature09250

Sollte diese Messung stimmen, hat die Fachwelt zwei Möglichkeiten: Entweder korrigiert sie den alten Wert, was für alle eine Überraschung wäre, weil er auf zwei ganz verschiedenen Messverfahren basiert, die dann beide fehlerhaft sein müssten. Oder sie räumt ein, dass Pohl und seine Kollegen den Schlüssel für eine neue Physik gefunden haben: irgendetwas Unbekanntes, das dafür sorgt, dass die neue Messung von den alten abweicht – vielleicht steckt sogar ein Teilchen dahinter, das nicht im Standardmodell der Materie enthalten ist. Auch das klingt unwahrscheinlich, denn dieses Modell hat den Anspruch, alle physikalischen Teilchen zu erfassen.

Ihr Ergebnis könnte der Anfang einer wissenschaftlichen Revolution sein. Also messen Pohl und seine Kollegen lieber noch einmal nach.

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Vor zwei Monaten ist die Gruppe in diese Experimentierhalle eingezogen, seitdem bereitet sie ihre neue Messung vor. Ihre Zeit hier ist begrenzt: Jedes Jahr kommen Tausende Forscher ans Paul-Scherrer-Institut im Schweizer Kanton Aargau, um die verschiedenen Teilchenbeschleuniger der Großforschungsanlage zu benutzen.

Wenn man vom Wasserspender aus zurück in die Halle schaut, sieht man zuerst die blaue Holzbaracke, in der die Computer des Teams stehen, dahinter mächtige Betonklötze, zu meterhohen Wänden gestapelt. Ein graues Labyrinth, in dem jede Forschergruppe, die hier arbeitet, ihre eigene, vor Strahlung geschützte Versuchsnische hat. Die von Pohls Team ist gleich die erste, nur fünf Menschen finden hier zwischen den Geräten auf einmal Platz. Hinter noch mehr Betonmauern, rund 100 Meter vom Eingang entfernt, steht der Teilchenbeschleuniger.

Manchmal fällt er aus, manchmal muss er gewartet werden. Aber jetzt gerade liefert er volle Leistung: 2190 Mikroampere meldet die Anzeige am Halleneingang.

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Der Teilchenbeschleuniger des Paul-Scherrer-Instituts bringt Protonen auf 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit. 10 Billiarden Protonen können pro Sekunde für die Experimente genutzt werden. Randolf Pohls Arbeitsgruppe beschießt mit diesen Protonen Kohlenstoff, dabei entstehen pro Sekunde 100 Millionen Pionen. Diese Teilchen sind Vorläufer der Myonen, die für die Vermessung des Protons benötigt werden.

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Noch aber kann Pohls Gruppe den Protonenstrahl nicht nutzen. Sie hat zwar schon vor zwei Monaten begonnen, ihre tonnenschwere Apparatur aufzubauen, und sie ist auch nicht zum ersten Mal am Paul-Scherrer-Institut zu Gast. Aber der grobe Aufbau ist bei einer Präzisionsmessung bloß der erste von vielen Arbeitsschritten.

Innerhalb weniger Tage steht der Kasten, in dem die Physiker mit dem Protonenstrahl des Instituts Myonen erzeugen. Diese ungewöhnlichen Teilchen kann man sich als besonders schwere Elektronen vorstellen, sie werden später als Messsonden auf die Protonen geschossen, deren Durchmesser Pohls Gruppe ermitteln will. Schnell aufgebaut sind auch die schweren Magnete, die den Myonenstrahl im Halbkreis in die Messapparatur lenken. Dort aber folgen die Myonen einer komplizierten Choreografie, bei der jeder Schritt überwacht werden muss. Und in dieser Apparatur, die nicht viel größer ist als die Schachtel einer Flasche Champagner, müssen alle zur Überwachung nötigen Komponenten einzeln getestet und geeicht werden. Diese Arbeit erfordert die meiste Zeit.

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Wegen der Myonen sind die Physiker hier. „Nirgendwo sonst auf der Welt bekommt man einen so guten Myonenstrahl“, sagt Pohl. Und selbst dieser Strahl ist gerade intensiv genug, um die Messungen zu ermöglichen.

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Drei Monate Zeit hat seine Arbeitsgruppe auf der Anlage bekommen. Randolf Pohl, der in München lebt und dort am Max-Planck-Institut für Quantenoptik arbeitet, hat sich in einem Dorf in der Nähe ein Zimmer genommen. Seine Frau und seine beiden kleinen Töchter sieht er zurzeit nur selten. Er muss mit seinem Team genügend Messwerte sammeln. In vier Wochen ist Weihnachten, dann wird der Beschleuniger abgeschaltet.

Es wäre nicht das erste Mal, dass die Physiker ohne Ergebnis nach Hause fahren. „This is a horrible night“ steht in der DIN-A4-Kladde mit der Aufschrift „2009 III“, einem der Laborbücher, die Pohls Gruppe in der blauen Holzbaracke aufbewahrt. Datum des Eintrags: 4. Juli 2009, 5:44 Uhr. In jenem Sommer hat Pohls Gruppe schon zum dritten Mal Versuchszeit auf der Anlage beantragt und bekommen, zum dritten Mal versucht sie, den Durchmesser des Protons zu bestimmen. Projekt und Karriere stehen auf der Kippe – irgendwann muss man Ergebnisse vorweisen. Als Pohl seinen Frusteintrag schreibt, ist der Teilchenbeschleuniger schon wieder für eine Stunde ausgefallen. Er ist mit seiner Geduld fast am Ende. Der Eintrag im Laborbuch ist ein letztes Stöhnen – wenige Minuten bevor die Gruppe feststellt, dass sie gerade das Proton neu vermessen hat. Ob sie einer großen Sache auf der Spur ist oder einem Irrtum aufsitzt, ist offiziell noch nicht geklärt, aber die Aufmerksamkeit der Fachwelt hat sie gewonnen.

Im Laboralltag geht es um andere Dinge, jetzt zum Beispiel um ein kleines Stück silbrige Folie. Die soll in der Anlage die Röntgendetektoren von dem Laserstrahl abschirmen, der später für die Messung gebraucht wird. Trotzdem melden die empfindlichen Bauteile, dass Laserlicht zu ihnen durchdringt. Pohl steht mit seinen Kollegen am Wasserspender und bespricht, woran das liegen könnte. Hat sich der Kleber am Rand der Folie gelöst? Oder hat sie einen Riss bekommen, weil man sie zu fest in die Apparatur gedrückt hat? Es hilft nur eins: Aufmachen und nachsehen. Kein Problem, das kommt immer wieder vor. „Wer nie etwas kaputtmacht“, sagt Pohl, „kommt nicht weit.“ Man muss die Geräte kennenlernen.

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„Action!“ Pohls langjähriger Kollege Aldo Antognini von der ETH Zürich beendet die Pause. Die Physiker werden nun also die Messapparatur aus dem großen Magneten ziehen, der sie umschließt und die Myonen fokussiert, dann die Verkleidung entfernen und die kupfernen Kühlrohre abmontieren, mit denen die Apparatur auf Betriebstemperatur gehalten wird. Sie tragen blaue Latexhandschuhe, wenn sie mit den kleinen Bauteilen hantieren, um keine Fingerabdrücke zu hinterlassen. Wenn eine Schraube auf den Boden fällt, wird sie mit Alkohol gereinigt. Das Auseinanderbauen ist eine Routineübung, denn wenn es nicht die Folie ist, dann klemmt es woanders.

Antognini vergleicht den Versuchsaufbau mit einem Orchester: „Die Kunst besteht darin, dass alle Instrumente zur gleichen Zeit einsatzbereit sind.“ Magnete, Linsen, Blenden, Spiegel und Detektoren müssen richtig eingestellt sein – und natürlich muss auch der Computer mitspielen, der die Messungen überwacht, von denen jede nur eine Millionstelsekunde dauert.

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Sehr simpel ausgedrückt passiert bei dem Experiment Folgendes: Pohl und seine Kollegen drehen den Frequenzregler eines Laserstrahls so lange herauf und herunter, bis in der Apparatur Röntgenblitze entstehen. Aus der Laserfrequenz, bei der die Detektoren in der Apparatur diese Blitze registrieren, lässt sich der Durchmesser des Protons ableiten. Mit diesem Verfahren lässt sich die Größe jedes Atomkerns ermitteln, auch wenn er aus mehr als einem Proton besteht.

Etwas genauer ausgedrückt, passiert Folgendes: Pohl und seine Kollegen lenken in ihrer Apparatur Myonen auf Atomkerne. Je nach Element enthalten diese ein oder mehrere Protonen und werden von Elektronen umkreist. Die Myonen ersetzen nun die Elektronen, und weil sie schwerer sind, umkreisen sie den Atomkern auf einer niedrigeren Bahn – das erlaubt präzisere Messungen.
Die Physiker beschießen die Atome mit einem Laserstrahl, dessen Frequenz sie laufend hoch- und herunterregeln. Wenn sie die richtige Frequenz erwischen, werden die Myonen durch Laserenergie angeregt und springen auf eine höhere Umlaufbahn, von der sie sofort wieder herunterfallen. Dabei senden sie einen Röntgenblitz aus, den – mit etwas Glück – die Detektoren in der Apparatur registrieren.

Entscheidend für die Messung: Der Quantensprung auf die höhere Bahn gelingt nur mit der exakt richtigen Menge Energie. Je höher das Team den Frequenzknopf drehen muss, umso mehr Energie haben die Myonen für ihren Sprung benötigt. Wenn sie die richtige Frequenz getroffen haben, sprechen die Physiker von einer Resonanz und berechnen daraus die Größe des Atomkerns: je höher die Frequenz, umso kleiner ist er.

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Von den beiden Umlaufbahnen hängt die untere, im Fachjargon 2S-Zustand genannt, von der Größe des Protons ab – genauer gesagt vom Durchmesser seiner elektrischen Ladung. Wenn sich die negativ geladenen Elektronen oder Myonen auf dieser Bahn befinden, dann kreisen sie nicht durchgängig um den Atomkern, sondern halten sich einen guten Teil der Zeit in dessen Inneren auf. Je größer der Atomkern, umso mehr Zeit verbringen sie darin. In dieser Zeit werden sie vom positiv geladenen Atomkern nicht elektrisch angezogen. Deshalb wird weniger Energie benötigt (also eine geringere Laserfrequenz), um sie auf die höhere Umlaufbahn zu heben, die 2P-Zustand genannt wird. Den Röntgenblitz senden die Myonen aus, wenn sie vom 2P-Zustand in den 1S-Zustand fallen – eine Umlaufbahn, die noch näher am Atomkern liegt als der 2S-Zustand.

Auf dieser Idee beruht Randolf Pohls Karriere. Als er am 4. Juli 2009 im Laborbuch über seine schreckliche Nacht klagte, lief das Projekt schon zwölf Jahre. 1997 hatten die Physiker Theodor Hänsch und Franz Kottmann mit einigen Kollegen vorgeschlagen, Myonen als Sonden zu nutzen, um das Proton präziser zu vermessen. Eine Nachkommastelle wollten sie dem Durchmesser-Wert hinzufügen, um die Vorhersagen der Atomtheorien genauer zu überprüfen.

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Das Proton ist der Atomkern des einfachsten aller Atome: des Wasserstoffatoms. Physiker wie Theodor Hänsch arbeiten gerne mit diesem Atom, weil sich daran die wichtigsten Prinzipien der Atomphysik besonders präzise prüfen lassen. Für manche Tests muss der Durchmesser des Protons mit höherer Genauigkeit bekannt sein. Franz Kottmann von der ETH Zürich wollte die Messung mit myonischem Wasserstoff versuchen, also mit Protonen, um die ein Myon statt eines Elektrons kreist. Doch wenn die Myonen die Elektronen verdrängt haben, landen sie meist in der tiefsten möglichen Umlaufbahn (dem 1S-Zustand) und sind dort für eine Messung unbrauchbar. Kottmanns Idee: bei niedrigem Gasdruck stoßen die Wasserstoffatome seltener zusammen und lassen die wenigen Myonen in der gewünschten Umlaufbahn (dem 2S-Zustand) länger überdauern. Aber auch dann bleibt den Physikern nur etwa eine Millionstel Sekunde, um das Myon mit einem Laserschuss in eine höhere Umlaufbahn (den 2P-Zustand) zu heben. Die Messungen von Franz Kottmann, Randolf Pohl und ihrem Team sind übrigens tatsächlich um eine Kommastelle präziser als die bisherigen Messungen – aber das nützt nur etwas, wenn die Messung am Ende auch stimmt.

Pohl promovierte damals bei Hänsch und wies in seiner Arbeit nach, dass die Messung funktionieren kann: Zumindest einige wenige Myonen kreisten so lange auf der richtigen Bahn um die Protonen, dass genug Zeit blieb für den Laserschuss.

Der erste richtige Durchlauf im Jahr 2003 führte zu keinem Ergebnis. Das Team gab dem Laser die Schuld und baute einen besseren. Doch auch der nächste Versuch vier Jahre später scheiterte. Auch in diesem Fall habe es eine überzeugende Erklärung gegeben, sagt Pohl. „Wir konnten immer zeigen, dass wir wissen, was wir tun.“ Vielleicht half auch der Nobelpreis, den Theodor Hänsch inzwischen bekommen hatte, als das Team zum dritten Mal Versuchszeit am Paul-Scherrer-Institut beantragte. Doch dieser dritte Durchlauf galt als letzte Chance. „Ich konnte damals nicht mehr guten Gewissens Doktoranden annehmen, weil ich ihnen keine Perspektive bieten konnte“, sagt Pohl.

Manche Kollegen konnten sich damit profilieren, dass sie mit dem Laser forschten oder die Detektoren verbesserten. Pohl aber war auf ein Messergebnis angewiesen. Für seine wissenschaftliche Karriere sah es nicht gut aus: „Es ist nicht optimal, so lange ohne relevante Fachpublikationen zu sein“, sagt der 42-Jährige rückblickend. Sein Fach zu beherrschen und Fleiß zu demonstrieren genügt nicht, um als junger Physiker auf sich aufmerksam zu machen.

Der Durchbruch vom 4. Juli 2009 hat Pohls Gruppe nicht nur auf die Titelseite von Nature gebracht, einem Fachmagazin, das weltweit beachtet wie kaum ein anderes. Auch finanziell hat er weniger Sorgen. Der Europäische Forschungsrat (ERC) fördert seine Arbeit mit einem Stipendium von rund 1 Mio. Euro. Genug Geld für eigene Mitarbeiter. Genug Geld für neue Nachtschichten im Paul-Scherrer-Institut.

Für ihre aktuelle Messung haben die Physiker Helium als Atomkern gewählt, weil sie das Wasserstoffatom mit nur einem Proton schon gründlich genug untersucht haben. Zwei Protonen und zwei Neutronen ballen sich hier in dem Kern, den die Myonen umkreisen. Um sie zum Quantensprung anzuregen, muss der Laser auf eine Frequenz im Infraroten eingestellt sein, die fast schon im Bereich des sichtbaren Lichts liegt. Auf diese Strahlung springen dummerweise auch die Röntgendetektoren an – und darum darf kein Loch sein in der dünnen, mit Aluminium bedampfte Plastikfolie, an der sich das Team jetzt zu schaffen macht: Wenn sie dicht bleibt, filtert sie das Laserlicht heraus und lässt nur die Röntgenstrahlung durch.

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Als die Physiker die Folie aus der Apparatur nehmen, riecht es plötzlich nach Schnaps. Die dünnen Kupferrohre, durch die reiner Alkohol bei einer Temperatur von minus 40 Grad fließt, um die Detektoren zu kühlen, haben also auch ein Leck. Doch erst mal ist die auf einen Trägerrahmen geklebte Folie dran. Ein handliches Bauteil, denn die zehn Röntgendetektoren, die sie überdeckt, sind jeweils nur zwei Quadratzentimeter groß. Für das bloße Auge sieht sie perfekt aus. Mit einer Taschenlampe beleuchtet Pohl sie von hinten. Fast wie die Suche nach einem Loch im Fahrradschlauch. „Hier, sehr ihr?“, ruft er und deutet auf einen kaum merklichen Lichtpunkt: ein winziges Loch. Ein Kollege kratzt die Folie vom Aluminiumgestell und will eine neue aufkleben. Doch das Werkzeug ist nicht dort, wo es sein soll. Es ist immer wieder dasselbe! Hat jemand den Komponentenkleber gesehen?

Später in der Nacht, an der Eingangspforte des Paul-Scherrer-Instituts, versucht Randolf Pohl zu erklären, warum er in all den Jahren nie aufgegeben hat: „Entweder man macht seine Sache zu hundert Prozent, oder man lässt es.“ Eine Karriere in der Industrie wäre für ihn nur zweite Wahl gewesen. Auch dort hat man es zwar als Laserexperte mit anspruchsvollen Problemen zu tun und löst sie im Team. Aber es wäre nicht dasselbe, sagt Pohl knapp. Mit seinen Kollegen fertigt er nicht in Serie: „Es macht mir Spaß, mit intelligenten Leuten zusammen zu basteln.“ Die Physiker haben kein Marketing und keinen Vertrieb. Sie haben die volle Kontrolle über ihr komplexes, einzigartiges Messgerät, und sie kämpfen darum, dass es tut, was es soll. Es gibt sehr viele Schrauben, an denen sie drehen können. Aber sie können eben auch an allen drehen. Außerdem winke ein unvergleichliches Erfolgserlebnis: „der Natur ein Geheimnis zu entlocken – als Erster“.

Früher wäre er nicht schon um zwei Uhr nachts nach Hause geradelt, sagt Pohl. „Damals haben wir um unser Leben geforscht.“ Doch der Druck hat seit der ersten erfolgreichen Messung am 4. Juli 2009 ein wenig nachgelassen; die Physiker gönnen sich nun den Luxus, während der Messungen nachts zu schlafen.

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Vor fünf Jahren war daran nicht zu denken. Nur wenige Minuten nach seiner Klage über die schreckliche Nacht nutzt Randolf Pohl die Pause des Teilchenbeschleunigers für etwas Statistik – und entdeckt in den jüngsten Daten die gesuchte Resonanz. Um 6:08 Uhr notiert er im Laborbuch in großen Buchstaben: „We have it!“ Die Detektoren empfangen also endlich die Röntgenblitze, nachdem die Physiker den Frequenzknopf des Lasers weiter nach oben gedreht haben als je zuvor. Ein Glücksgriff. Die richtige Frequenz beträgt 49.881.880 Megahertz – 75.000 mehr als erwartet. Das Proton ist daher nur etwas über 1,68 billionstel Meter groß, vier Prozent unter dem etablierten Wert.

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Der etablierte Wert geht auf zwei Messmethoden zurück. Die eine ist die spektroskopische Untersuchung von Wasserstoff, bei der die Energiedifferenzen zwischen den Zuständen vermessen werden. Bei der anderen schießt man mit Elektronen auf einen Schwarm von Protonen und untersucht, wie die Elektronen in ihren Flugbahnen abgelenkt werden. Auch aus dieser Streuung lässt sich der Durchmesser des Protons berechnen. Am Paul-Scherrer-Institut soll diese Messung in zwei Jahren mit Myonen wiederholt werden, um Myonen direkt mit Elektronen zu vergleichen: Ergeben die Myonen auch bei dieser Messung einen kleineren Wert für den Durchmesser des Protons? Andere Forscherteams werden zudem zentrale spektroskopische Untersuchungen mit höherer Genauigkeit wiederholen.

Im Laborbuch wirken die Physiker nach dieser Überraschung wie ausgewechselt. Sie messen und messen, sie kleben Schaubilder mit den Ergebnissen ins Buch und halten nebenbei fest, dass Bob Marley als Begleitmusik zu besseren Werten führt als Abba. Zwei Tage später gratuliert Theodor Hänsch per E-Mail; ein Ausdruck kommt ebenso ins Laborbuch wie das Etikett einer Flasche Moët & Chandon Impérial. Am 8. Juli 2009 um 17:45 Uhr wird mit dem Champagner angestoßen, um 19:32 Uhr aber schon das nächste Messergebnis protokolliert. Die Physiker drucken ihre Erfolgsmeldung auf T-Shirts und laden den Chef des Paul-Scherrer-Instituts zur Besichtigung ein. Er verlängert ihre Versuchszeit um einige Wochen. Nun geht es darum, die Entdeckung wasserdicht zu belegen.

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Dass Pohls Team es auf die Titelseite des Wissenschaftsmagazins Nature schafft, ist eine Ehre, aber auch ein Risiko. „Danach habe ich einige schlaflose Nächte gehabt“, sagt Pohl. „Was, wenn uns eine Koryphäe einen einfachen Fehler nachgewiesen hätte?“ Doch heute gibt er sich gelassen: „Wenn es am Ende doch einen Fehler gibt, dann war er zumindest nicht leicht zu finden.“

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Das wöchentlich erscheinende britische Magazin „Nature“ gehört in der Wissenschaft zu den meistgelesenen Publikationen. Artikel aus diesem Journal werden im Durchschnitt in den ersten zwölf Monaten 30 Mal zitiert – ein Wert, den kaum ein anderes Magazin erreicht. In der Wissenschaft ist die Häufigkeit der Zitate, der sogenannte Impact-Faktor, eine wichtige Kennzahl von Fachjournalen – gewissermaßen das quantifizierte Renommee. Wer es bei „Nature“ auf die Titelseite schafft, wird wahrgenommen – und kann tief fallen, wenn sich die Behauptungen als problematisch erweisen.

Inzwischen spricht man in der Fachwelt vom „proton puzzle“, der abweichende Messwert ist zum anerkannten Problem geworden. Die Vereinigung Codata, die Messungen zu physikalischen Grundgrößen sammelt und alle vier Jahre einen Bericht mit den offiziellen Zahlen herausgibt, hat das Ergebnis 2010 noch außen vor gelassen. Der Wert war damals zu frisch und hätte sich auch gleich auf andere physikalische Größen ausgewirkt, die mit dem Protondurchmesser zusammenhängen. Das Bild, das sich Physiker von der Materie machen, ist so elaboriert und in sich schlüssig, dass sie vom Standardmodell sprechen. Diese gut gestützte Theorie stürzt nicht einfach zusammen. Aber die Fachwelt wird bald entscheiden müssen, wie sie auf die überraschenden Ergebnisse reagiert.

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Pohl hofft, dass seine Ergebnisse wegen der Myonen vom bisher anerkannten Wert abweichen. Womöglich reagiert ein bisher unbekannter Baustein der Protonen anders auf Myonen als auf Elektronen? Eine reizvolle Aussicht, findet Pohl. „Von einer Physik jenseits des Standardmodells träumt doch jeder“, sagt er. Er sieht sich aber nicht als Theoretiker, der nach Erklärungen sucht, sondern als Experimentator, der die präzisen Daten liefert, die von den Theoretikern erklärt werden müssen.

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Eine der ersten Reaktionen der Fachkollegen war, die Formel für die Protonengröße zu überprüfen: Wird sie korrekt aus der Laserfrequenz berechnet? Bisher hat niemand einen Fehler gefunden. Oder verformt das Myon das Proton zu stark, weil es ihm so nahe kommt? Dieser Effekt wird in der physikalischen Theorie eigentlich schon berücksichtigt, und Physiker finden, dass er ausreichend berücksichtigt wird. Eine dritte Option ist die These, dass die positive Ladung des Protons in dessen Mitte konzentriert ist. Das würde zu demselben Messergebnis führen wie ein kleinerer Durchmesser des Protons. Doch bisher sprechen experimentelle Ergebnisse gegen diese These. Außer der Hoffnung auf ein unentdecktes Teilchen, haben die Physiker daher derzeit nichts anzubieten, um zu erklären, warum die Messungen mit Myonen einen kleineren Durchmesser für das Proton ergeben.

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Spektakuläre Experimente werden in der Wissenschaft oft von kritischen Fachkollegen wiederholt, die sich denken: Das wollen wir erst einmal sehen. „Unser Experiment ist aber so komplex, dass es bisher niemand nachgebaut hat“, sagt Pohl. Er kümmert sich mit seinem Team also selbst darum, die früheren Messungen zu überprüfen. Die erste Bestätigung war bereits 2010 erfolgreich. Klappt die Messung nun auch mit Helium?

Zwei Tage nach den Schwierigkeiten mit der Folie starten die Physiker den ersten Versuch. Der Magnet, der die Messapparatur umschließt, wird mit flüssigem Helium gekühlt, bis der Strom verlustfrei durch seine Spule fließt. Das so erzeugte Magnetfeld ist zwei Millionen Mal so stark wie das der Erde. Die Schraubenschlüssel, die einen Meter entfernt an der Wand hängen, werden magnetisiert und kleben aneinander. Während einige Kollegen die Kabel zum Computer prüfen, ist noch kurz Zeit zum Staubsaugen. Dann wird die Tür verriegelt und das Gatter für den Teilchenstrahl geöffnet.

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Nur einige Hundert der vielen Myonen, die jede Sekunde in die Apparatur fliegen, haben die richtige Geschwindigkeit, um sich von einem Heliumkern einfangen zu lassen – der Beginn der sorgfältig ausgetüftelten Teilchen-Choreografie. Bei jedem dieser Myonen blitzt der Laser auf, um es in eine höhere Umlaufbahn zu heben. Auf den Bildschirmen in der Holzbaracke erscheinen nun die ersten Messwerte. Warten. Konzentration. Die Vermessung eines Atomkerns ist nichts für Ungeduldige.

Es laufen zwar sehr viele Ergebnisse ein: Trotz aller Abschirmung schießen viele Teilchen durch die Versuchsanlage, auch stören Myonen das Bild, die nicht die richtige Geschwindigkeit haben und trotzdem Quantensprünge machen. Aber nur alle paar Minuten registrieren die Physiker einen der gewünschten Röntgenblitze, wenn ein vom Laser angeregtes Myon von seiner höheren Bahn herunterfällt. Nach zwei bis drei Stunden haben sie genug gemessen und können beim Laser eine neue Frequenz einstellen. Es wird noch bis kurz vor Weihnachten dauern, dem Ende ihrer Versuchszeit, bevor Pohl und seine Kollegen auch beim Helium die gesuchte Resonanz finden.

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Für die Messung werden zwar Abermillionen Myonen pro Sekunde erzeugt, doch höchstens alle acht bis zehn Minuten registrieren die Physiker einen Erfolg. Das liegt zum einen daran, dass nur Myonen mit einer bestimmten Geschwindigkeit eine Chance haben, von einem Atomkern eingefangen zu werden und dort das Elektron zu ersetzen. Es sind nur einige Hundert pro Sekunde. Zum anderen gibt es eine Reihe weiterer Einschränkungen: Im Heliumgas werden nur etwa 60 Prozent dieser Myonen tatsächlich eingefangen, und nur etwa zwei Prozent der eingefangenen Myonen landen in der gewünschten Umlaufbahn (dem 2S-Zustand). Auch wenn der Laser die richtige Frequenz hat, gelingt es nur in 30 Prozent der Fälle, das Myon auf die höhere Bahn zu bugsieren (den 2P-Zustand). Und wenn das Myon dann einen Röntgenblitz aussendet, wird dieser nur empfangen, wenn er nach oben oder unten geht, denn dort sitzen die Detektoren.

Ein Jahr ist das jetzt her. Ist nun die Zeit gekommen, um „Alarm!“ zu rufen? Das überlässt Pohl anderen. Außerdem werde die Detailanalyse der Daten noch eine Weile dauern, denn alle Ungereimtheiten in der Statistik müssen geprüft werden. Eine anspruchsvolle und interessante Aufgabe, versichert Pohl. Auch wenn sein Herz für das Experimentieren schlägt.

Aber wer im Wissenschaftssystem bestehen will, der kann nicht nur in der Beschleunigerhalle stehen. Natürlich bewerbe er sich auf Professuren, sagt Pohl. Sprechstunden abhalten, Prüfungen abnehmen, Gutachten schreiben und im Fakultätsrat sitzen, anstatt spät in der Nacht Resonanzen zu messen? „Ich muss ja“, sagt Pohl, und es klingt ein bisschen traurig. Wie ein Abschied.

Sein Doktorvater Theodor Hänsch soll sich immer viel Zeit für die Laborarbeit bewahrt haben. Doch das gelingt nicht jedem im Universitätsbetrieb. Genug zu forschen gäbe es für Pohl: In seinem Team werde jetzt demokratisch entschieden, was als Nächstes komme, erzählt er. Dieselbe Messung mit dem nächstgrößeren Atom, also mit Lithium? Oder lieber die magnetische Struktur der Protonen untersuchen?

Was genau sein Team kurz vor Weinachten 2013 gemessen hat, möchte Pohl noch nicht verraten – zu groß ist die Gefahr, dass Wissenschaftsmagazine Fachartikel ablehnen, wenn die Ergebnisse schon publik sind. Nur so viel: Nicht nur bei normalen Heliumatomen, auch bei der Variante Helium-3 hat sein Team eine Resonanz gefunden. Weil Helium aus mehr als einem Proton besteht, kommen bei diesen Messungen weitere Effekte ins Spiel. Das ist für die Theoretiker wichtig, die immer noch nach einer Erklärung suchen.

Das Protonenrätsel bleibt bestehen.

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