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The size of the proton

Pohl, Randolf und Antognini, Aldo und Nez, Francois und Amaro, Fernando und Biraben, Francois und Cardoso, Joao und Covita, Daniel und Dax, Andreas und Dhawan, Satish und Fernandes, Luis und Giesen, Adolf und Graf, Thomas und Hänsch, Theodor und Indelicato, Paul und Julien, Lucile und Kao, Cheng-Yang und Knowles, Paul und Le Bigot, Eric und Liu, Yi-Wei und Lopes, Jose und Ludhova, Livia und Monteiro, Christina und Mulhauser, Francoise und Nebel, Tobias und Rabinowitz, Paul und dos Santos, Joaquim und Schaller, Lukas und Schuhmann, Karsten und Schwob, Catherine und Taqqu, David und Veloso, Joao und Kottmann, Franz (2010) The size of the proton. Nature, 466, Seiten 213-217. Macmillan Publishers Limited. DOI: 10.1038/nature09250.

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Kurzfassung

The proton is the primary building block of the visible Universe, but many of its properties—such as its charge radius and its anomalous magneticmoment—are not well understood. The root-meansquare charge radius, rp, has been determined with an accuracy of 2 per cent (at best) by electron–proton scattering experiments. The present most accurate value of rp (with an uncertainty of 1 per cent) is given by the CODATA compilation of physical constants. This value is based mainly on precision spectroscopy of atomic hydrogen and calculations of bound-state quantum electrodynamics. The accuracy of rp as deduced from electron–proton scattering limits the testing of bound-state QED in atomic hydrogen as well as the determination of the Rydberg constant (currently the most accurately measured fundamental physical constant). An attractive means to improve the accuracy in themeasurement of rp is provided bymuonic hydrogen (a proton orbited by a negative muon); its much smaller Bohr radius compared to ordinary atomic hydrogen causes enhancement of effects related to the finite size of the proton. In particular, theLamb shift (the energy difference between the 2S1/2 and 2P1/2 states) is affected by as much as 2 per cent. Here we use pulsed laser spectroscopy to measure a muonic Lamb shift of 49,881.88(76)GHz. On the basis of present calculations of fine and hyperfine splittings and QED terms, we find rp 50.84184(67) fm, which differs by 5.0 standard deviations from the CODATA value of 0.8768(69) fm. Our result implies that either the Rydberg constant has to be shifted by 2110 kHz/c (4.9 standard deviations), or the calculations of the QED effects in atomic hydrogen or muonic hydrogen atoms are insufficient.

Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:The size of the proton
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-Adresse der Autoren
Pohl, RandolfMax Plank Institut für Quantenoptik
Antognini, AldoMax Plank Institut für Quantenoptik
Nez, FrancoisLaboratoire Kastler Brossel
Amaro, FernandoUniversidade de Coimbra
Biraben, FrancoisLaboratoire Kastler Brossel
Cardoso, JoaoUniversidade de Coimbra
Covita, DanielUniversidade de Coimbra
Dax, AndreasYale University
Dhawan, SatishYale University
Fernandes, LuisUniversidade de Coimbra
Giesen, AdolfNICHT SPEZIFIZIERT
Graf, ThomasInstitut für Strahlwerkzeuge
Hänsch, TheodorMax Plank Institut für Quantenoptik
Indelicato, PaulLaboratoire Kastler Brossel
Julien, LucileLaboratoire Kastler Brossel
Kao, Cheng-YangTsing Hua University, Taiwan
Knowles, PaulUniversity de Fribourg
Le Bigot, EricLaboratoire Kastler Brossel
Liu, Yi-WeiNational Tsing Hua University
Lopes, JoseUniversidade de Coimbra
Ludhova, LiviaUniversity de Fribourg
Monteiro, ChristinaUniversidade de Coimbra
Mulhauser, FrancoiseUniversity de Fribourg
Nebel, TobiasMax Plank Institut für Quantenoptik
Rabinowitz, PaulPrinceton University
dos Santos, JoaquimUniversidade de Coimbra
Schaller, LukasUniversity de Fribourg
Schuhmann, KarstenTechnologiegesellschaft für Strahlwerkzeuge
Schwob, CatherineLaboratoire Kastler Brossel
Taqqu, DavidPaul Scherrer Institute
Veloso, JoaoUniveristy of Aveiro, Portugal
Kottmann, FranzPaul Scherrer Institute
Datum:8 Juli 2010
Erschienen in:Nature
Referierte Publikation:Ja
In Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
Band:466
DOI :10.1038/nature09250
Seitenbereich:Seiten 213-217
Verlag:Macmillan Publishers Limited
Name der Reihe:Letters
Status:veröffentlicht
Stichwörter:proton size
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Luftfahrt
HGF - Programmthema:Starrflügler
DLR - Schwerpunkt:Luftfahrt
DLR - Forschungsgebiet:L AR - Starrflüglerforschung
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):L - Laserforschung und -technologie
Standort: Stuttgart
Institute & Einrichtungen:Institut für Technische Physik
Hinterlegt von: Dr.rer.nat. Hans-Albert Eckel
Hinterlegt am:08 Jul 2010 11:33
Letzte Änderung:26 Mär 2013 13:18

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