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Rätselhafte Myonen : Abschied vom Standardmodell?

In diesem Speicherring am Fermilab kreisen geladene Myonen. Bild: Fermilab

Das magnetische Moment von Myonen scheint tatsächlich größer zu sein als theoretisch erwartet. Diese Diskrepanz kann das etablierte Standardmodell der Teilchenphysik nicht erklären.

          3 Min.

          Seit zwanzig Jahren beschäftigt die Teilchenphysiker eine merkwürdige Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment, die man beim magnetischen Moment des Myons Anfang 2001 beobachtet hatte. Der damals am Brookhaven National Laboratory (BNL) gemessene Wert fiel größer aus als theoretisch erwartet. Allerdings war der Messfehler zu groß, so dass keine eindeutige Interpretation möglich war. Danach standen die Experimente am Speicherring in Upton still, und viele Fragen blieben offen.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Im Jahr 2013 erfolgte der Umzug der Beschleunigeranlage an das Fermilab bei Chicago und vier Jahre später die Inbetriebnahme. Heute nun hat die internationale Forschergruppe des Fermilab die seit langem erwarteten ersten Messwerte zum magnetischen Moment des Myons in einer Online-Konferenz präsentiert. Das Ergebnis: Die in Chicago gemessenen Werte untermauern klar den Befund aus Brookhaven. Demnach scheint das magnetische Moment des Myons tatsächlich größer zu sein, als es das Standardmodell vorhersagt.

          Wegen ihres Spins verhalten sich Elektronen und ihre schweren Verwandten, die Myonen, wie winzige rotierende Stabmagnete. Ein Maß für die Stärke des damit einhergehenden magnetischen Moments ist der sogenannte gyromagnetische Faktor oder Landéscher g-Faktor. Für freie Myonen berechnet man einen g-Faktor von 2. In Wirklichkeit ist das Myon jedoch permanent von einer Wolke nicht beobachtbarer „virtueller“ Teilchen eingehüllt – darunter Photonen, Elektronen, Positronen und schwere W- oder Z-Teilchen. Diese Partikeln entstehen scheinbar aus dem Nichts und verschwinden in Sekundenbruchteilen wieder. Durch die Wechselwirkung dieser Teilchen mit dem Myon vergrößert sich dessen magnetisches Moment.

          Der g-Faktor weicht deshalb in Wirklichkeit etwas von dem Wert 2 ab. Dieses Phänomen bezeichnet man auch als „Spinanomalie“ des Myons, oder kurz als „g-2“. Mit dem Standardmodell der Elementarteilchenphysik lässt sich diese Anomalie unter Berücksichtigung aller bekannten Effekte mit hoher Genauigkeit berechnen. Deshalb war es eine Überraschung, als man in Brookhaven erstmals eine Abweichung der Messwerte von den theoretischen Berechnungen beobachtet hatte, die man mit statistischen Fluktuationen der Daten nicht erklären konnte.

          Ein Zeichen für Supersymmetrie?

          Seit 2017 setzt die aus etwa 200 Wissenschaftlern bestehende Gruppe am Fermilab die früheren Brookhaven-Experimente fort. Das erklärte Ziel: Die Spinanomalie des Myons genauer als jemals zuvor zu bestimmen. Und das ist der Forschergruppe, zu der auch Physiker der Universität Mainz gehören, offenkundig bereits im ersten Jahr der laufenden Messungen gelungen.

          Umzug des Myon-Speicherrings von Brookhaven nach Chicago im Jahr 2013.
          Umzug des Myon-Speicherrings von Brookhaven nach Chicago im Jahr 2013. : Bild: Andre Salles, Fermilab

          Für ihre Präzisionsmessungen speisen die Forscher einen äußerst intensiven und reinen Myonenstrahl in einen Speicherring aus ringförmig angeordneten supraleitenden Magneten ein. Mit einem besonders empfindlichen Verfahren messen sie die Umlauffrequenz der Myonen und die Präzessionsbewegungen der magnetischen Momente. Daraus lässt sich schließlich der gyromagnetische Faktor und damit der Wert von „g-2“ ermitteln.

          Man hätte zwar erst sechs Prozent der bisher gemessenen Daten ausgewertet, aber bereits eine etwas bessere Sensitivität als das Vorgängerexperiment erreicht, sagte Chris Polly, Sprecher der „g-2“-Kollaboration.  Das finale Ziel ist eine viermal höhere Genauigkeit als das Brookhaven Experiment. Das Ergebnis ist nach Ansicht des Forschers eindeutig: Der gemessene Wert von „g-2“ deckt sich mit dem Wert aus Brookhaven. Die Signifikanz der Messungen hätten sich von 3,7 Sigma (Brookhaven) jetzt auf 4,2 Sigma erhöht. Das bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass die Abweichung zwischen Experiment und Theorie rein zufällig ist, beträgt jetzt nur noch 0,0025 Prozent. Das reicht dennoch nicht ganz, um von einer echten Entdeckung sprechen zu können. In diesem Fall müsste die Wahrscheinlichkeit für einen Irrtum kleiner als 0,00005 Prozent sein, was fünf Standardabweichungen entspricht.

          Mit den noch nicht ausgewerteten Daten, die man seit 2018 gemessen hat, hofft man die noch bestehende Unsicherheit weiter verringern zu können. Nachdem die Messungen im vergangenen Jahr Corona bedingt abgebrochen werden mussten, soll Ende 2021 eine neue Messkampagne starten.

          Auch wenn noch immer ein geringer Zweifel bestünde, so sei an dem Ergebnis doch nicht mehr zu rütteln, geben sich Forscher zuversichtlich. „Nach mehr als zwanzig Jahren stellt unser Resultat eine unabhängige Überprüfung und Bestätigung des Vorgängerexperiments dar“, sagt Martin Fertl vom Exzellenzcluster Prisma an der Universität Mainz, der mit seinen Kollegen am Fermilab forscht. Das aktuelle Ergebnis habe die Tür zu einer bisher unbekannten Physik noch weiter geöffnet.

          Über die physikalischen Ursachen der gemessenen Diskrepanz herrscht indes noch keine Klarheit. Möglicherweise gibt es eine sogenannte Supersymmetrie, die Elementarteilchen und Kräfte miteinander vermischt. Bei dieser Theorie wird jedem bekannten Teilchen ein schweres – bislang noch unbekanntes – Zwillingsteilchen zugeordnet. Die Myonen könnten bei ihrem Umlauf im Beschleuniger von einer Wolke solcher virtueller supersymmetrischer Teilchen umhüllt sein, wodurch sich das magnetische Moment vergrößert. Allerdings haben sich supersymmetrische Teilchen bislang noch in keinem der großen Teilchenbeschleuniger wie dem „Large Hadron Collider“ am europäischen Forschungszentrum Cern gezeigt. Deshalb zweifeln viele Teilchenphysiker an deren Existenz.

          Doch schon länger vermutet man, dass es eine Physik jenseits des Standardmodells gibt. Erst kürzlich haben Physiker des Cern beim Zerfall von B-Mesonen eine Abweichung von theoretischen Vorhersagen gemessen. Allerdings lässt das Ergebnis noch keine klaren Schlüsse zu. Am Fermilab scheint man nun den wohl eindeutigsten Hinweis auf eine neue Physik gefunden zu haben.

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