LTP: Laboratory for Particle Physics

The Laboratory of Particle Physics (LTP) at the Paul Scherrer Institute pursues fundamental research, addressing the most up to date questions in modern physics. read more

Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen

Accurate knowledge of the charge and Zemach radii of the proton is essential, not only for understanding its structure but also as input for tests of bound-state quantum electrodynamics and its predictions for the energy levels of hydrogen. These radii may be extracted from the laser spectroscopy of muonic hydrogen (μp, that is, a proton orbited by a muon). We measured the 2S_1/2^F=0 - 2P_3/2^F=1 transition frequency in μp to be 54611.16(1.05) gigahertz (numbers in parentheses indicate one standard deviation of uncertainty) and reevaluated the 2S_1/2^F=1 - 2P_3/2^F=2 transition frequency, yielding 49881.35(65) gigahertz. From the measurements, we determined the Zemach radius, r_Z = 1.082(37) femtometers, and the magnetic radius, r_M = 0.87(6) femtometer, of the proton. We also extracted the charge radius, r_E = 0.84087(39) femtometer, with an order of magnitude more precision than the 2010-CODATA value and at 7σ variance with respect to it, thus reinforcing the proton radius puzzle.

Die schwache Seite des Protons

Ein internationales Forschungsteam hat mit grosser Genauigkeit bestimmt, wie das Proton an der schwachen Wechselwirkung – einer der vier fundamentalen Kräfte der Natur – teilhat. Die Ergebnisse bestätigen die theoretischen Voraussagen des Standardmodells der Teilchenphysik. In dem Experiment wurde beobachtet, mit welcher Wahrscheinlichkeit Myonen von Protonen einfangen werden – ein Prozess, der von der schwachen Wechselwirkung bestimmt wird. Das Experiment wurde am Paul Scherrer Institut PSI durchgeführt, dem einzigen Ort weltweit, an dem genügend Myonen erzeugt werden, damit es in einer realistischen Zeit durchgeführt werden kann. Die Forscher haben darauf geachtet, nicht nur die zahlreichen technischen Fehlerquellen auszuschliessen, sondern auch die „psychologischen“. Durch ein trickreiches Verfahren konnten sie ausschliessen, dass sie sich bei der Auswertung der Messergebnisse unbewusst von den bekannten theoretischen Voraussagen beeinflussen liessen. Die moderne Beschreibung des untersuchten Prozesses beruht auf Ideen, die vor 50 Jahren vom amerikanischen Physiker Y. Nambu entwickelt wurden, der 2008 dafür den Physiknobelpreis erhalten hat. Erst jetzt war es möglich, die theoretischen Vorhersagen mit der notwendigen Genauigkeit zu überprüfen. Das Projekt zeigt, dass die Teilchenphysik neben Experimenten an den grossen Beschleunigeranlagen im Hochenergiebereich, auch Untersuchungen mit hohen Teilchenzahlen braucht, für die das PSI die besten Voraussetzungen bietet. Das Ergebnis ist im Fachjournal Physical Review Letters erschienen. Das American Institute of Physics hat das Ergebnis mit einer Zusammenfassung auf der Webseite gewürdigt.