Durchbruch: Helium-3 Ladungsradius präzise wie nie zuvor gemessen!

Durchbruch: Helium-3 Ladungsradius präzise wie nie zuvor gemessen!

Mainz, Deutschland - In einer wegweisenden Studie hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Prof. Dr. Randolf Pohl an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) bahnbrechende Fortschritte bei der Messung fundamentaler Eigenschaften von Atomkernen erzielt. Die Ergebnisse dieser Untersuchung, die die Bestimmung des Ladungsradius von myonischem Helium-3 betrifft, wurden am 23. Mai 2025 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und erreichen eine Präzision, die bisher unerreicht ist. Die Experimente wurden am Paul Scherrer Institut in der Schweiz durchgeführt und erreichen einen neuen Wert für den Ladungsradius von myonischem Helium-3 von 1,97007 ± 0,00097 Femtometern, was fünfzehnmal genauer ist als frühere Messungen.

Myonisches Helium-3, das aus zwei Protonen und einem Neutron besteht, ersetzt die klassischen Elektronen durch Myonen. Diese eine maßgebliche Veränderung ermöglicht genauere Messungen, da Myonen etwa 200 Mal schwerer als Elektronen sind und die Überlappung der Wellenfunktion mit dem Kern erhöhen. Das Forschungsteam hat gepulste Laserspektroskopie eingesetzt, um verschiedene Übergänge innerhalb des myonischen Helium-3-Ions zu analysieren, und dabei herausragende Ergebnisse erzielt. Diese Technik hat sich bereits bei der Vermessung anderer Wasserstoffe und Deuterium bewährt, um die Struktur von Atomkernen besser zu verstehen.

Präzision und Vergleich mit bestehenden Messungen

Die ermittelten Werte stimmen gut mit den Messungen von normalem Helium überein, die in Amsterdam durchgeführt wurden. Die Differenz in den Ladungsradien zwischen Helium-3 und Helium-4 konnte nun exakt bestimmt werden. Dies ist ein entscheidender Schritt für die Verbesserung unserer Kenntnisse über die Kernstrukturen und die Bestimmung fundamentaler Naturkonstanten. Zukünftig plant das Forschungsteam, weitere Atomkerne von Lithium bis Neon mit neuartigen Röntgendetektoren noch genauer zu analysieren.

Die hervorragenden Ergebnisse sind nicht nur das Resultat der experimentellen Arbeiten, sondern auch das Ergebnis einer engen Zusammenarbeit im Exzellenzcluster PRISMA+. Die theoretischen Grundlagen wurden von einer Gruppe renommierter Wissenschaftler, darunter Prof. Dr. Sonia Bacca, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Dr. Franziska Hagelstein, erarbeitet.

Bedeutung der Ergebnisse

Die gewonnenen Erkenntnisse sind von grundlegender Bedeutung nicht nur für die Grundlagenforschung, sondern auch für die Entdeckung neuer physikalischer Phänomene. Ein präziserer Ladungsradius könnte Einfluss auf bestehende Theorien zur Kernstruktur haben und zeigt die Notwendigkeit auf, bestehende Modelle auf den Prüfstand zu stellen. Der aktuelle Wert für den Ladungsradius des Helions dient zudem als Benchmark für Theorien mit wenige Nukleonen und eröffnet neue Möglichkeiten für präzise Tests in $^3$He-Atomen und $^3$He-Ionen.

Die Teammitglieder der CREMA Collaboration, zu der auch Karsten Schuhmann und 38 weitere Wissenschaftler gehören, veröffentlichten die Studieneingabe bereits am 19. Mai 2023 mit einer finalen Überarbeitung am 25. Juni 2023. In ihren Ergebnissen wurden beeindruckende Werte für die Lamb-Verschiebung sowie die Hyperfeinstrukturspaltung ermittelt, die wichtige Hinweise auf die Kernstruktur liefern.

In den letzten Jahren wurde die Diskrepanz zwischen myonischen und elektronischen Ladungsradien, wie sie auch beim Wasserstoff festgestellt wurde, zunehmend untersucht. Diese sogenannten „proton radius puzzle“ wurden durch die Forschung zu myonischem Helium-3 gestärkt, da die Messungen auf eine kleine, aber signifikante Abweichung hindeuten. Das Forschungsteam hofft, durch die Laserspektroskopie von myonischen Atomen weitere Antworten zu erhalten und bestehende Theorien in der Teilchenphysik zu hinterfragen.

Die Forschung wird im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 1660 an der JGU von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefördert und zeigt eindrucksvoll, wie die Interaktion von Theorie und Experiment neue Wege in der Physik aufzeigen kann.

Für weiterführende Informationen zu den Messungen des Ladungsradius von Helium-3 verweisen wir auf die Berichterstattung bei uni-mainz.de, welche die wichtigsten Aspekte und Ergebnisse dieser fortschrittlichen Forschung zusammenfasst. Details zu den durchgeführten Experimenten sind zudem in der Publikation auf arxiv.org und einer allgemeinen Betrachtung zur Thematik auf mpg.de zu finden.