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.
Standardmodell bestätigt
Nach mehr als zehn Jahren der Datenanalysen und Berechnungen mithilfe von Supercomputern liegt nun das Ergebnis vor. Es repräsentiert den bislang genauesten Wert für diese sogenannte Vakuum-Polarisation des Myons. Wird dieser Parameter in die Berechnung des magnetischen Moments eingefügt, ergibt sich daraus auch die bisher präziseste Berechnung dieser wichtigen Größe, wie das Team berichtet. „Durch diese Reduktion der Unsicherheiten können wir nun Theorie und Experiment mit beispielloser Präzision vergleichen – und so das Standardmodell bis auf elf Dezimalstellen überprüfen“, sagt Co-Autor Finn Stokes von der Adelaide University in Australien.
Das Entscheidende dabei: Mit dem neuen theoretischen Wert für das anomale magnetische Moment des Myons verschwinden auch die Diskrepanzen zwischen Messresultaten und Theorie. „Wir konnten zeigen, dass sie nicht mehr da sind“, so Stokes. „Die bisher bekannten Interaktionen können die gemessenen Werte vollständig erklären.“ Die Abweichung zwischen Theorie und dem aktuellsten Experiment liegt nur noch bei 0,5 Standardabweichungen. Damit könnten die Physiker ein seit Jahrzehnten bestehendes Rätsel gelöst haben.
Gleichzeitig verrät der neue Wert, dass es zumindest bei den Wechselwirkungen des Myons mit der Quantenwelt offenbar doch keine neue Physik in Form unbekannter Teilchen oder Kräfte gibt. „Ich wurde gefragt, wie es sich anfühlt, diese Entdeckung zu machen, und ehrlich gesagt, bin ich fast ein wenig traurig“, sagt Fodor. „Denn als wir mit der Berechnung dieses Werts begannen, dachte wir, dass wir damit ein starkes Indiz für eine fünfte Grundkraft finden würden. Stattdessen haben wir festgestellt, dass es keine solche fünfte Grundkraft gibt. Dafür haben wir nun einen sehr präzisen Beleg für das Standardmodell und seine Grundlage, die Quantenfeldtheorie.“
Quelle: Zoltan Fodor (Universität Wuppertal) et al., Nature, doi: 10.1038/s41586-026-10449-z
