Myonen sind “Vettern” der Elektronen, sie teilen viele Eigenschaften mit diesen Elementarteilchen, sind aber 200-mal schwerer als das Elektron. Myonen sind zudem extrem kurzlebig und bleiben nur millionstel Bruchteile einer Sekunde erhalten, bevor sie zerfallen. Wie das Elektron besitzt das Myon ein magnetisches Moment, eine Art inneren Miniatur-Stabmagneten, der in Gegenwart eines Magnetfelds wie die Achse eines Kreisels taumelt – er präzessiert. Die Geschwindigkeit dieser Präzession in einem Magnetfeld hängt dabei vom magnetischen Moment (g) des Myons ab und im einfachsten Fall sagt die Theorie voraus, dass g gleich 2 sein sollte. Allerdings ist das Myon nicht allein auf der Welt: Der Quantentheorie zufolge existiert es wie alle anderen Teilchen in einer Art Quantenschaum oder See aus virtuellen, kurzlebigen Teilchenpaaren. Diese von der Quantenfluktuation erzeugten Teilchen entstehen wie aus dem Nichts und zerfallen in Sekundenbruchteilen wieder. Ihre Präsenz verursacht jedoch Wechselwirkungen mit dem Myon, die auch die Reaktion des Myons auf das Magnetfeld beeinflussen. Wie subatomare „Tanzpartner” greifen sie nach der „Hand” des Myons und verändern dadurch auch das magnetische Moment.
Hinweise auf noch unbekannte “Tanzpartner”
Der subtile Einfluss subatomarer, virtueller Quantenteilchen führt dazu, dass das magnetische Moment des Myons immer ein wenig von g = 2 abweicht. Wie groß diese als anomales magnetisches Moment des Myons bezeichnete Abweichung ist, lässt sich anhand des Standardmodells berechnen. Dieses umfasst alle bekannten „Tanzpartner” und sagt voraus, dass das magnetische Moment dadurch um etwa 0,1 Prozent von 2 abweichen müsste. Das Spannende jedoch: Wenn es noch unbekannte Teilchen oder Kräfte geben sollte, die nicht im Standardmodell der Teilchenphysik erfasst sind, dann könnten sie sich über diesen “Tanz” des Myons verraten. “Folgt man den Hypothesen von neuer Physik, könnten zum Beispiel Teilchen der Dunklen Materie oder zusätzliche Higgs-Teilchen den Wert von g-2 beeinflussen”, erklärt Dominik Stöckinger von der Technischen Universität Dresden. Sollte dies der Fall sein, dann müssten experimentelle Messungen des anomalen magnetischen Moments sich von den theoretisch ermittelten Werten unterscheiden.
Tatsächlich haben Physiker erste Hinweise auf eine solche Abweichung gefunden: Im Jahr 2021 ergaben dies erste Auswertungen des Myon-g-2-Experiments am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den USA. In diesem Experiment wird ein am Fermilab mit besonders hoher Reinheit erzeugter Myonenstrahl in einem 14 Meter großen Beschleunigerring aus supraleitenden Magneten eingespeist. Die Myonen rasen im Schnitt tausendmal mit fast Lichtgeschwindigkeit durch diesen Ring und werden dabei einem externen Magnetfeld ausgesetzt. Mithilfe von Detektoren im Ring können die Physiker dabei feststellen, wie diese Magnetfelder die Präzession des magnetischen Moments der Myonen verändern. Je genauer die Bewegungen dieser “Kompassnadeln” und die Stärke des äußeren Magnetfelds erfasst werden, desto präziser ist die Messung. Der 2021 auf Basis der ersten sechs Prozent der Messungen veröffentlichte Wert für das anomale magnetische Moment des Myons erreichte eine Messunsicherheit von 460 zu einer Milliarde und wich um 4,2 Standardabweichungen – 4,2 Sigma – von dem im Standardmodell vorhergesagten anomalen magnetischen Moment des Myons ab. Dies reicht noch nicht ganz aus, um die Abweichung offiziell als Entdeckung zu klassifizieren.
