Schon häufiger gab es in letzter Zeit Hinweise auf Lücken im Standardmodell der Physik – auf noch unbekannte Teilchen oder Kräfte. Jetzt liefern Messungen mit Myonen, den schwereren Cousins der Elektronen, neue Indizien für eine solche neue Physik. Am Myon-g-2-Experiment haben Physiker das sogenannte anomale magnetische Moment des Myons neu vermessen. Dabei traten signifikante Abweichungen zu dem vom physikalischen Standardmodell vorhergesagten Wert auf. Noch erreichen diese Diskrepanzen mit 4,2 Standardabweichungen zwar nicht die Schwelle einer eindeutigen Entdeckung, sie nähern sich ihr aber immer weiter an.
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.
“Das ist ein unglaublich spannendes Ergebnis”, sagt Ran Hong vom Argonne National Laboratory, Mitglied der Myon g-2-Kollaboration. Denn es legt nahe, dass es eine Erklärungslücke im Standardmodell gibt. Offenbar interagiert das Myon auf seinem Flug durch das Magnetfeld nicht nur mit den erwarteten Quantenfluktuationen, sondern wird zusätzlich von einem noch unbekannten Faktor beeinflusst – möglicherweise von noch unbekannten Teilchen oder Kräften. “Der Wert, den wir messen, reflektiert die Wechselwirkungen des Myons mit allem anderen im Kosmos. Aber wenn Theoretiker den gleichen Wert berechnen und dafür alle bekannten Teilchen und Kräfte berücksichtigen, bekommen wir nicht die gleiche Antwort”, sagt Renee Fatemi von University of Kentucky. “Das ist ein starkes Indiz dafür, dass das Myon auf etwas reagiert, das in unserer bisher besten Theorie nicht enthalten ist.” Die Physiker hoffen, dass die bereits laufenden Auswertungen der Messungen von 2019 und 2020 dieses Ergebnis noch erhärten werden.
Quelle: Myon-g-2-Kollaboration, Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.126.141801
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