Als "magisch" bezeichnet der Physiker Aldo Antognini den Heliumkern mit seinen je zwei Protonen und Neutronen. Zusammen mit Kollegen vom Paul Scherrer Institut (PSI) und der ETH Zürich hat er dessen Radius nun mit der höchsten jemals erzielten Präzision vermessen – fünfmal genauer als bisher. Laut der in "Nature" veröffentlichten Studie ist der Heliumkern 1,67824 Femtometer klein (1 Femtometer ist ein Billiardstel Meter).
Neue Methode
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 Myonen – Elementarteilchen, die Elektronen ähneln, aber eine 200 Mal größere Masse haben. 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 myonische 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 Forscher 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.
Potenziell nützliche Erkenntnis
Die neue Studie birgt nach Ansicht der Forscher das Potenzial 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 Forscher. (APA, red, 27. 1. 2021)