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Anomales Myon : Attacke auf das Standardmodell?

Blick auf den Speicherring des g-2-Experimentes am Fermilab Bild: Fermilab

Ist das magnetische Moment des Myons tatsächlich größer, als die gängige Theorie voraussagt? Ein experimenteller Befund, der seit zwanzig Jahren die Teilchenphysik beschäftigt, scheint nun eine Bestätigung gefunden zu haben. Doch Fragen bleiben.

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          Das Messergebnis war mit Spannung erwartet worden, das eine internationale Forschergruppe des Fermilab vor eineinhalb Wochen coronabedingt in einem Online-Seminar präsentierte. Es untermauert klar die Resultate, die man am Brookhaven National Laboratory auf Long Island bei New York zwischen 1997 und 2001 gemessen hatte. Danach weicht der experimentelle Wert des magnetischen Moments des Myons tatsächlich signifikant vom berechneten Wert des Standardmodells der Teilchenphysik ab. Ob sich hinter dieser Diskrepanz allerdings Hinweise auf eine neue Physik verbergen, wie viele bereits vermuten, scheint noch nicht ausgemacht. 

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Dabei sind die Hoffnungen auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells durchaus berechtigt, kann das Weltmodell vom Aufbau der Materie doch viele Phänomene nicht erklären – etwa die Asymmetrie von Materie und Antimaterie im Universum oder die Existenz von Dunkler Materie und Dunkler Energie sowie die Tatsache, dass Neutrinos eine Masse haben. Ein bewährter Weg, Abweichungen zur Theorie aufzuspüren, sind Präzisionsmessungen an bekannten subatomaren Objekten wie dem Myon. Das magnetische Verhalten des schweren Verwandten des Elektrons lässt sich in einem starken Magnetfeld präzise vermessen und im Rahmen des Standardmodells genauestens berechnen.

          Physiker stehen im Inneren des Speicherrings des g-2-Experiments, das am Brookhaven National Laboratory von 1997 bis 2004 in Betrieb. Von deutscher Seite war an den Messungen eine Forschergruppe von der Universität Heidelberg um Gisbert zu Putlitz beteiligt .
          Physiker stehen im Inneren des Speicherrings des g-2-Experiments, das am Brookhaven National Laboratory von 1997 bis 2004 in Betrieb. Von deutscher Seite war an den Messungen eine Forschergruppe von der Universität Heidelberg um Gisbert zu Putlitz beteiligt . : Bild: BNL

          Für ihre Präzisionsmessungen, die vor drei Jahren begonnen wurden, lässt die Forschergruppe am Fermilab einen intensiven und reinen Myonenstrahl in einem Speicherring kreisen. Weil die Teilchen sich aufgrund ihres magnetischen Moments wie winzige Stabmagnete verhalten, führen sie gleichzeitig eine Taumelbewegung im Magnetfeld aus. Mit einem raffinierten Verfahren können die Forscher den sogenannten gyromagnetischen Faktor, auch „g-Faktor“ genannt, ermitteln, der ein Maß für die Stärke des magnetischen Moments ist. Mit elf Nachkommastellen haben die gemessenen Werte bereits die Genauigkeit der theoretischen Rechnungen erreicht. Und die Diskrepanz zwischen Theorie und Experiment tritt in der achten Nachkommastelle in Erscheinung.

          • Die allgemein akzeptierten theoretische Werte des Standardmodells für den g-Faktor: g=2.00233183620(86), Anomales magnetisches Moment ½(g-2)=0.00116591810(43)
          • Die neuen experimentellen Durchschnittsergebnisse der Myon g-2-Kollaboration g-Faktor g=2.00233184122(82), Anomales magnetisches Moment: ½(g-2) = 0.00116592061(41)

          Zwar habe man erst sechs Prozent (8 Millionen Milliarden Myonen)  des geplanten Datensatzes ausgewertet, aber bereits eine bessere Sensitivität als das Vorgängerexperiment erreicht, sagt Martin Fertl vom Exzellenzcluster PRISMA+ an der Universität Mainz, der mit seinen Kollegen seit 2014 am Fermilab forscht. Das Ergebnis ist für den Forscher eindeutig: Die Signifikanz der Messungen hat sich von 3,7 Sigma (Brookhaven) jetzt auf 4,2 Sigma erhöht (99,99 Prozent Sicherheit). Das reicht aber noch nicht, um von einer echten Entdeckung sprechen zu können. Dazu müsste die Signifikanz fünf Standardabweichungen betragen. was einer Wahrscheinlichkeit von etwa 99,9999 Prozent entspricht, dass das Ergebnis nicht ein Produkt des Zufalls ist. Diese Schwelle hofft man nehmen zu können, wenn man die Daten von 2019 und 2020 ausgewertet hat. Das  Ergebnis der Analyse will man im kommenden Jahr präsentieren.

          Dass bei den Messungen größere Fehler unterlaufen sind, schließen die Forscher aus. „Wir haben das Experiment, das vor zwanzig Jahren in Brookhaven lief, nach dem Umzug im Jahre 2013 ans Fermilab, dort komplett neu aufgebaut und technisch verbessert“, sagt Martin Fertl. Bei der Auswertung der Daten habe man besondere Vorsicht walten lassen. Die Daten wurden doppelverblindet und an mehrere Gruppen verteilt. Diese hätten sie dann drei Jahre lang mit unterschiedlichen Verfahren ausgewertet. Ende des vergangenen Jahres wurden die erste Verblindung der Daten entfernt und die Resultate der verschiedenen Gruppen miteinander verglichen. Erst als die verschiedenen Analysen übereinstimmten, wurde auch die zweite Verblindung Ende Februar 2021 beseitigt.

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