Eine Winzigkeit leichter

Protonen und Neutronen bestehen aus den gleichen Quarks, allerdings in einem anderen Verhältnis: Das Neutron besitzt ein up- und zwei down-Quarks (udd), das Proton ein down- und zwei up-Quarks (uud). Daraus folgen eine andere Ladung und auch ein sehr geringfügiger Unterschied der Masse. Die Masse beider Kernbausteine beträgt etwa 1,67 ⋅ 10^-24g, wobei das ­Proton etwa 0,1% leichter ist als das Neutron. In der Regel wird die Masse jedoch mit einem relativen Wert angegeben, der sich auf ein Zwölftel der Masse des Kohlenstoff-Isotops C‑12 ­bezieht (atomare Masseneinheit, u). So hat das Wasserstoffatom 1,007.825 u, wovon etwa 99,95% auf das Proton und 0,05% auf das Elektron entfallen. Aufgrund des Massendefektes ist die Masse eines Atoms kleiner als die Summe der Masse seiner Teile (beim C-12-Isotop mit je 6 Protonen, Neutronen und Elektronen beträgt die Summe der Teile etwa 12,1 u, also etwa 1% mehr als die Masse des Atoms).

Kernphysiker des Max-Planck-Instituts in Heidelberg haben nun die relative Masse des Protons neu bestimmt, indem sie abwechselnd ein einzelnes Proton und ein einzelnes C‑12-Ion (¹²C⁶⁺), das aus je sechs Protonen und Neutronen besteht, in derselben Penningfalle vermessen haben. Bei der Penningfalle handelt es sich um ein tiefgekühltes Vakuumgefäß, an das variable elektrische Felder und ein stabiles Magnetfeld angelegt werden, um ein eingeschleustes Ion an einen bestimmten Ort zu bewegen und zu halten; innerhalb der Penningfalle gibt es zwei Speicherfallen und eine Messfalle. Trotz seiner Platzierung ist das Ion nicht unbeweglich, sondern es rotiert wie ein Kreisel. Seine Geschwindigkeit steht dabei sowohl in einem Zusammenhang mit seiner Masse und elektrischen Ladung (Masse-Ladungs-Verhältnis) als auch mit der Stärke der elektrischen und magnetischen Felder. Daher lässt sich aus der Bewegung des Ions, die trotz ihrer rasenden Geschwindigkeit genau aufgezeichnet wird, seine Masse berechnen.

Ergebnis: Die Masse des Protons beträgt 1,007.276.466.583 u. |