Der Helmholtz-Preis 2018 für „Präzisionsmessungen in der Grundlagenforschung“ geht an:

Dr. Axel Beyer, Lothar Maisenbacher (beide Max-Planck-Institut für Quantenoptik): Präziseste Messung der Rydbergkonstante in Wasserstoff und wichtige Hinweise zur Lösung des "proton size puzzle"

Preisträger 2018: Das „proton size puzzle“

(l.n.r.) Prof. Dr. Joachim Ullrich, Dr. Axel Beyer, Lothar Maisenbacher, Prof. Dr. Theodor Hänsch, Prof. Dr. Thomas Udem

Axel Beyer wurde 1986 in Sonneberg geboren. Nach erfolgtem Abitur mit Auszeichnung durch die Deutsche Physikalische Gesellschaft studierte er Physik an der Ludwig-Maximilian-Universität München. Seine Abschlussarbeit am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching beschäftigte sich mit der Präzisionsspektroskopie von atomarem Wasserstoff zur Bestimmung der Rydbergkonstante.
2012 setzte er diese Arbeit als Stipendiat der Max-Planck-Gesellschaft fort, erlangte seine Promotion im Jahr 2016 und erhielt 2018 gemeinsam mit seinem Kollegen L. Maisenbacher den Helmholtz-Preis für die "Präziseste Messung der Rydbergkonstante in Wasserstoff und wichtige Hinweise zur Lösung des Proton Size Puzzle".

Lothar Maisenbacher wurde 1986 in Pforzheim geboren. Er studierte Physik an der Universität Cambridge und Universität München. Nach einem Forschungsaufenthalt in Berkeley promoviert er seit 2014 am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in der Gruppe von Thomas Udem und Theodor W. Hänsch.

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.

Literatur

Axel Beyer, Lothar Maisenbacher, Arthur Matveev, Randolf Pohl, Ksenia Khabarova, Alexey Grinin, Tobias Lamour, Dylan C. Yost, Theodor W. Hänsch, Nikolai Kolachevsky, Thomas Udem: The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen. Science, 6 October 2017, DOI:10.1126/science.aah6677