Das Myon gehört wie sein “Cousin”, das Elektron, zu den Leptonen – Elementarteilchen, die zusammen mit Quarks und Bosonen die Bausteine der Materie bilden. Auch wenn Myonen kurzlebig und rund 100-mal schwerer sind als ein Elektron, besitzen sie wie dieses einen halbzahligen Spin, sind einfach negativ geladen und haben ein magnetisches Moment. In einem von außen einwirkenden Magnetfeld führen Wechselwirkungen dazu, dass die Richtung dieses internen Magneten leicht schwankt – ähnlich dem leichten Taumeln der Erdachse durch die Präzession. Dieser sogenannte g-Faktor lässt sich auf Basis von Ladung, Masse und Spin des Myons exakt berechnen und müsste eigentlich bei zwei liegen. In der Realität tut er dies aber nicht, weil das Teilchen bei seinem Flug durch ein externes Magnetfeld von Quantenfluktuationen beeinflusst wird. Die Interaktion mit diesen Störeffekten verändert den g-Faktor um einen geringen Wert – das sogenannte anomale magnetische Moment.
Abweichungen zwischen Theorie und Experiment
Theoretisch lässt sich auf Basis des physikalischen Standardmodells auch dieses als g-2 bezeichnete anomale magnetische Moment berechnen. Danach müsste diese Anomalie den Wert von a = 116.591.810(43) x 10-11 haben. Doch schon vor gut 20 Jahren ergaben Messungen am Brookhaven National Laboratory in den USA Abweichungen von diesem theoretischen Sollwert. Damals lagen die im Myon-g-2-Experiment ermittelten Diskrepanzen bei rund 3,7 Standardabweichungen – zu wenig, um als sichere Entdeckung zu gelten. Seither untersuchen Physiker, ob diese Abweichung real oder doch nur die Folge systematischer Unsicherheiten in Theorie und Experiment ist. Dafür wurde das Myon-g-2-Experiment aufgerüstet und an das Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) verlegt. Dort haben Physiker der Myon g-2 Kollaboration in den letzten Jahren neue, präzisere Messungen des anomalen magnetischen Moments des Myon durchgeführt. In der Myon g-2 Kollaboration arbeiten mehr als 200 Forschende von 35 Institutionen aus sieben Ländern zusammen.
Für das Experiment werden Myonen mit einem einheitlich polarisierten Spin erzeugt und in den Speicherring des Fermilab eingespeist – die Magnetachse aller dieser Teilchen zeigt in die gleiche Richtung. Supraleitende Magnetspulen im Speicherring erzeugen ein starkes, einheitliches Magnetfeld, das auf die mit hohem Tempo im Kreis rasenden Myonen wirkt und die Ausrichtung ihres magnetischen Moments und Spins verändert. Wie stark das anomale magnetische Moment ist, lässt sich an der Richtung und Zahl der Positronen messen, die beim Zerfall der kurzlebigen Myonen entstehen und von Detektoren eingefangen werden.
Diskrepanzen bestätigen sich
Jetzt hat die Myon g-2 Kollaboration erste Resultate ihrer Messungen veröffentlicht. Sie umfassen die Daten, die in der Laufzeit 2018 an rund acht Milliarden Myonen ermittelt wurden. Demnach beträgt das experimentell ermittelte anomale magnetische Moment des Myons a = 116 592 040(54) x 10-11 und hat eine relative Unsicherheit von 460 Teilen in 1 Milliarde. Damit weicht dieser Wert um 4,2 Standardabweichungen von dem auf Basis des Standardmodells berechneten theoretischen Wert ab. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Abweichung zwischen Experiment und Theorie zufällig ist, beträgt 0,0025 Prozent (1 in 40.000). Die Diskrepanz zur Theorie liegt nur knapp unter dem Wert, ab dem Physiker von einer Entdeckung sprechen – in diesem Fall einer klaren Widerlegung des Standardmodells. Dafür müsste der Sigma-Wert fünf erreichen, was einer Zufallswahrscheinlichkeit von weniger als 0,00005 Prozent entspricht.
