Protonen könnten dehnbarer sein, als sie sein sollten.
Die subatomaren Teilchen bestehen aus kleineren Teilchen, den sogenannten Quarks, die durch eine starke Wechselwirkung, die als starke Kraft bekannt ist, aneinander gebunden sind. Neue Experimente scheinen zu zeigen, dass die Quarks stärker als erwartet auf ein elektrisches Feld reagieren, das an ihnen zieht, berichten der Physiker Nikolaos Sparveris und Kollegen am 19. Oktober Natur. Das Ergebnis legt nahe, dass die starke Kraft nicht ganz so stark ist, wie die Theorie vorhersagt.
Es ist ein Befund, der im Widerspruch zum Standardmodell der Teilchenphysik steht, das die Teilchen und Kräfte beschreibt, aus denen wir und alles um uns herum zusammengesetzt sind. Das Ergebnis lässt einige Physiker ratlos darüber nachdenken, wie sie es erklären sollen – oder ob sie es überhaupt versuchen sollen.
„Es ist sicherlich rätselhaft für die Physik der starken Wechselwirkung, wenn diese Sache fortbesteht“, sagt Sparveris von der Temple University in Philadelphia.
Eine solche Dehnbarkeit ist in Experimenten anderer Labors aufgetaucht, war aber nicht so überzeugend, sagt Sparveris. Die Dehnbarkeit, die er und seine Kollegen gemessen haben, war weniger extrem als in früheren Experimenten, aber auch mit weniger experimenteller Unsicherheit verbunden. Das erhöht die Zuversicht der Forscher, dass Protonen tatsächlich dehnbarer sind, als die Theorie vermuten lässt.
An der Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Newport News, Virginia, untersuchte das Team Protonen, indem es Elektronen auf ein Target aus ultrakaltem flüssigem Wasserstoff feuerte. An Protonen im Wasserstoff gestreute Elektronen zeigten, wie die Quarks der Protonen auf elektrische Felder reagieren (SN: 13.09.22). Je höher die Elektronenenergie, desto tiefer konnten die Forscher in die Protonen hineinsehen und desto mehr verrieten die Elektronen, wie die starke Kraft im Inneren von Protonen wirkt.
Größtenteils bewegten sich die Quarks wie erwartet, wenn elektrische Wechselwirkungen die Teilchen in entgegengesetzte Richtungen zogen. Aber an einem Punkt, als die Elektronenenergie hochgefahren wurde, schienen die Quarks stärker auf ein elektrisches Feld zu reagieren, als die Theorie vorhergesagt hatte.
Aber es geschah nur für einen kleinen Bereich von Elektronenenergien, was zu einer Unebenheit in einem Diagramm der Streckung des Protons führte.
„Normalerweise verhalten sich diese Dinger ziemlich, sagen wir, glatt und es gibt keine Unebenheiten“, sagt der Physiker Vladimir Pascalutsa von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz in Deutschland.
Pascalutsa sagt, dass er oft begierig darauf ist, in rätselhafte Probleme einzutauchen, aber die seltsame Dehnbarkeit von Protonen ist zu skizzenhaft, als dass er zu diesem Zeitpunkt Bleistift zu Papier bringen könnte. „Man muss sehr, sehr erfinderisch sein, um sich ein ganzes Framework auszudenken, das einem irgendwie einen neuen Effekt verleiht“, um die Unebenheit zu erklären, sagt er. „Ich möchte die Begeisterung nicht beenden, aber ja, ich bin als Theoretiker ziemlich skeptisch, dass dieses Ding bleiben wird.“
Es werde weitere Experimente brauchen, um Theoretiker wie ihn für ungewöhnlich dehnbare Protonen zu begeistern, sagt Pascalutsa. Er könnte sich seinen Wunsch erfüllen, wenn sich Sparveris Hoffnungen erfüllen, das Experiment stattdessen mit Positronen, der Antimaterie-Version von Elektronen, die von Protonen gestreut werden, erneut zu versuchen.
Eine ganz andere Art von Experiment könnte dehnbare Protonen überzeugender machen, sagt Pascalutsa. Eine in Kürze erscheinende Studie des Paul Scherrer Instituts in Villigen, Schweiz, könnte Abhilfe schaffen. Es wird Wasserstoffatome mit Myonen anstelle der Elektronen verwenden, die normalerweise Atomkerne umkreisen. Myonen sind etwa 200-mal so schwer wie Elektronen und umkreisen den Kern eines Atoms viel näher als Elektronen – was einen genaueren Blick auf das Proton im Inneren ermöglicht (SN: 10/5/17). Das Experiment würde darin bestehen, den „myonischen Wasserstoff“ mit Lasern anzuregen, anstatt andere Elektronen oder Positronen von ihnen zu streuen.
„Die Präzision bei den myonischen Wasserstoffexperimenten wird viel höher sein als bei Streuexperimenten“, sagt Pascalutsa. Wenn da auch noch die Dehnbarkeit auftauche, „dann würde ich mir das gleich anschauen“.