Das Standardmodell der Teilchenphysik hat bisher allen Überprüfungen standgehalten. Trotzdem hat es entscheidende Lücken: Es kann weder die Natur der Dunklen Materie oder der Dunklen Energie erklären noch die Asymmetrie von Materie und Antimaterie. In den letzten Jahren haben Physiker bei Experimenten zudem immer wieder Abweichungen von den theoretischen Vorhersagen des Modells beobachtet. Eine davon betrifft das magnetische Moment des Myons. Dieser rund 200-mal schwerere „Bruder“ des Elektrons besitzt wie dieses ein magnetisches Moment und reagiert auf externe Magnetfelder. Das Ausmaß dieses „Taumelns“ wird durch das magnetische Moment des Myons beschrieben. Dieser sogenannte g-Faktor lässt sich auf Basis von Ladung, Masse und Spin des Teilchens exakt berechnen und müsste dem Wert 2 entsprechen – wenn es keine Quantenfluktuationen gäbe. Durch sie begegnet das Myon ständig Teilchenpaaren, die quasi aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden. Diese Interaktionen verändern den g-Faktor um einen geringen Wert – das sogenannte anomale magnetische Moment.
Rätsel um die Diskrepanz
Das Problem: Schon seit Jahrzehnten ergeben Messungen des anomalen magnetischen Moments (aµ) beim Myon immer wieder signifikante Abweichungen zu den theoretischen Werten auf Basis des Standardmodells. Nach diesen müsste das magnetische Moment um etwa 0,1 Prozent von 2 abweichen – sofern die Theorien stimmen und vollständig sind. Doch auch die bisher genauesten Messungen des Myon-g-2-Experiments am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA haben in den letzten Jahren weiterhin abweichende Werte geliefert. Physiker vermuten daher, dass sich hinter diesen Diskrepanzen sogenannte „neue Physik“ verbergen könnte: bisher unerkannte Kräfte oder Teilchen, die auf das Myon einwirken.
Allerdings blieb bislang unklar, ob der Fehler nicht vielleicht doch auf der theoretischen Seite liegt. Denn das anomale magnetische Moment hängt entscheidend von der starken Wechselwirkung ab – der Grundkraft, die Quarks und andere subatomare Elementarteilchen zu Atomkernbausteinen wie den Protonen und Neutronen verbindet. „Beim Berechnen von aµ stammen die Unsicherheiten nahezu ausschließlich von der starken Wechselwirkung, die im Standardmodell durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird“, erklären Zoltan Fodor von der Universität Wuppertal und seine Kollegen.
Sie haben daher einen wichtigen Parameter für den theoretischen Wert des magnetischen Moments des Myons mithilfe eines neuen Ansatzes noch einmal berechnet. „Wir nutzen dafür einen hybriden Ansatz: Er kombiniert die Stärken von experimentellen Daten mit denen der Gittereichtheorie in verschiedenen Energiebereichen“, erklären die Physiker. Die Gittereichtheorie teilt die Raumzeit in Zellen mit minimalen Abständen und löst dann darin die Gleichungen des Standardmodells. Das Team nutzte für die Neuberechnung ein feineres Gitter als zuvor möglich und präzisierte auch einige andere Einflussfaktoren.
