Dr. Axel Beyer und Lothar Maisenbacher vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik haben mit überaus exakten Messungen einer Übergangsfrequenz im Wasserstoffatom wichtige Hinweise zur Lösung des „proton size puzzle“ der Quantenelektrodynamik geliefert und erhalten dafür den Helmholtz-Preis 2018 in der Kategorie Grundlagen. Sie wiederholten frühere Messungen mit wesentlich höherer Genauigkeit. Vorausgegangen waren mehrere Jahre Laborarbeit, in denen die Preisträger neue Modelle entwickelt, bislang unberücksichtigte systematische Effekte erforscht und den Versuchsaufbau optimiert hatten. Das Ergebnis: Ihre Messungen an gewöhnlichem Wasserstoff bestätigen die Messungen an myonischem Wasserstoff und bringen damit die Quantenelektrodynamik wieder in Einklang mit den experimentellen Beobachtungen.
Zum Hintergrund: Die Quantenelektrodynamik, kurz QED, beschreibt, wie Materieteilchen (also etwa Atome) mit Licht wechselwirken, und gilt als ausgesprochen gut belegt. Zahlreiche Erkenntnisse beruhen auf der genauen Untersuchung des Wasserstoffatoms. Da es aus nur einem Proton und einem Elektron besteht, ist es dasjenige Atom, das sich mathematisch am besten beschreiben lässt. Vor wenigen Jahren jedoch erschütterten Messungen mit myonischem Wasserstoff bisherige Theorien vom Aufbau des Atoms. Myonischer Wasserstoff wird erzeugt, indem das um den Kern kreisende Elektron durch ein Myon ersetzt wird. Dieses ist ebenfalls negativ geladen, aber viel schwerer als ein Elektron. In dem Experiment erschien der Radius des Protons, also des Atomkerns, plötzlich deutlich kleiner als in zuvor durchgeführten Messungen mit regulärem Wasserstoff. Unter Forschern entbrannte eine lebhafte Debatte über dieses „proton size puzzle“: Handelt es sich um einen Messfehler? Oder weisen die Ergebnisse gar auf grundsätzliche Verständnislücken in der vermeintlich doch so gut verstandenen Theorie der Quantenelektrodynamik hin? Durch die neuen Erkenntnisse der Helmholtz-Preisträger, die in der Zeitschrift Science veröffentlicht wurden, erhält diese Debatte nun Hinweise, die auf einen früheren Messfehler hindeuten.
