Physik Forscher vermessen den Heliumkern in erstaunlicher Präzision

Ein Team mit Beteiligung des Paul Scherrer Instituts (PSI) und der ETH Zürich hat den Radius des Heliumkerns in einer bisher nicht dagewesenen Präzision vermessen. Damit könnten künftig etwa Naturkonstanten genauer bestimmt werden, wie das PSI am Mittwoch mitteilte.

Das Edelgas Helium ist eines der stabilsten und nach Wasserstoff das häufigste Element im Universum. Sein Kern, den der Physiker Aldo Antognini vom PSI und der ETH Zürich als magisch bezeichnet, besitzt je zwei Protonen und Neutronen.

Die Forschenden veröffentlichten im Fachmagazin «Nature» nun eine um rund fünfmal genauere Angabe zur Grösse des Heliumkerns. Demnach ist ist dieser 1,67824 Femtometer klein (1 Femtometer ist ein Billiardstel Meter).

Myonen erzeugen besonderes Helium

Das bisherige Wissen um die Eigenschaft der Heliumkerne stammt aus Experimenten mit Elektronen. Das Forschungsteam griff nun auf eine andere Quelle zurück: Sie beschossen eine kleine, mit Heliumgas gefüllte Kammer mit dem schweren Bruder des Elektrons, dem Myon. Das niederenergetische und langsame Teilchen schlägt dabei die Elektronen in der Hülle des Heliumatoms heraus und nimmt dessen Platz ein. Auf diese Weise bilden sich sogenannte myonischen Heliumionen.

«Nun kommt der zweite, wichtige Baustein für das Experiment zum Zuge: das Lasersystem», sagte Randolf Pohl von der Johannes Gutenberg-Universität in Mainz, ein Mitautor der Studie. Dabei beschiesst ein Laserpuls die künstlich erzeugten Teilchen. In einer bestimmten Frequenz befördert das Laserlicht das Myon für kurze Zeit in einen höheren Energiezustand. Fällt es wieder in den normalen Zustand zurück, wird Röntgenlicht ausgestrahlt.

Die Fülle an gemessenen Röntgensignalen erlaubte es den Forschenden anschliessend, die Differenz zwischen den zwei energetischen Zuständen des Myons im Atom bestimmen. Laut Theorie hängt dieser gemessene Energieunterschied davon ab, wie gross der Atomkern ist.

Grundlage für weitere Forschung

Die neue Studie birgt nach Ansicht der Forschenden das Potential für neue physikalische Erkenntnisse. So können die Werte des myonischen Heliums mit normalen Heliumatomen verglichen werden, um Naturkonstanten besser zu bestimmen. Auch liessen sich künftig neue theoretische Modelle der Kernstruktur testen, um Atomkerne so noch besser zu verstehen, so die Forschenden.

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03183-1