Ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Randolf Pohl von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz hat einen bedeutenden Durchbruch in der Messung fundamentaler Eigenschaften von Atomkernen erzielt. Bei Experimenten, die am Paul Scherrer Institut in der Schweiz durchgeführt wurden, gelang es den Wissenschaftlern, den Ladungsradius von myonischem Helium-3 mit einer nie dagewesenen Präzision zu messen. Die Ergebnisse dieser Studie wurden am 23. Mai 2025 in der renommierten Fachzeitschrift Science veröffentlicht, wie uni-mainz.de berichtet.
Myoisches Helium-3, das aus zwei Protonen und einem Neutron besteht, unterscheidet sich erheblich von normalem Helium, da das Elektron durch ein Myon ersetzt wird. Dieses Myon ist etwa 200 Mal schwerer als ein Elektron und ermöglicht präzisere Messungen der Kernstruktur, da seine große Masse die Überlappung der Wellenfunktion mit dem Kern erhöht. Der neu ermittelte Wert für den Ladungsradius von myonischem Helium-3 beträgt 1,97007 ± 0,00097 Femtometer und ist damit fünfzehn Mal genauer als frühere Messungen, informiert arxiv.org.
Präzise Messungen und deren Bedeutung
Die Forschung zur Bestimmung des Ladungsradius ist von zentraler Bedeutung, da präzise Werte für Atomkerne für die Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten und die Suche nach neuen physikalischen Phänomenen unerlässlich sind. Die Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Messungen von myonischem Helium-3 und früheren Ergebnissen, die an normalem Helium in Amsterdam erzielt wurden. Die Unterschiede zwischen den Ladungsradien von Helium-3 und Helium-4 wurden ebenfalls exakt bestimmt, was auf die hohe Genauigkeit der Methodik hinweist.
Das Team, einschließlich der Wissenschaftler Prof. Dr. Sonia Bacca, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Dr. Franziska Hagelstein, hat durch die Kombination von theoretischen Berechnungen und experimentellen Daten eine enge Zusammenarbeit im Exzellenzcluster PRISMA+ demonstriert. Zukünftige Pläne sehen die Untersuchung der Atomkerne von Lithium bis Neon mit neuartigen Röntgendetektoren vor, um noch genauere Ergebnisse zu erzielen.
Vergleich zu anderen Forschungsergebnissen
Die neue Messung des Ladungsradius von Helium-3 steht im Kontext der aktiven Forschung, die sich mit der Struktur von Atomkernen beschäftigt. Insbesondere die Laserspektroskopie hat sich als wertvolles Werkzeug erwiesen, nicht nur für Wasserstoff, sondern auch für Deuterium und andere Helium-Isotope. Dies gilt auch für die Messungen von myonischem Deuterium und myonischem Helium-4, deren Daten derzeit analysiert werden, wie mpg.de berichtet.
Die Präzision des neuen Ladungsradius für Helium-3 hat auch eine wichtige Rolle bei der Benchmark-Wertung, die für Theorien mit wenigen Nukleonen von Bedeutung ist. Insbesondere wird die Kombination dieser Messungen mit früheren Arbeiten zur Struktur von Helium-4 und anderen leichten Kernen entscheidend sein, um physikalische Modelle weiter zu verfeinern.
