Anomales Myon

Attacke auf das Standardmodell?

Von Manfred Lindinger
17.04.2021
, 15:00
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.

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.

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.

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.

Virtuelle Teilchen umschwirren das Myon

Dass an dem experimentellen Ergebnis nicht zu rütteln ist, glaubt auch der Theoretiker Hartmut Wittig von der Universität Mainz und Sprecher von PRISMA+. Wittig gehört auch der im Jahr 2017 gegründeten „Myon g-2 Theorie Initiative“ an, die versucht, den theoretischen Vorhersagewert für das magnetische Moment des Myons möglichst genau festzulegen. Mitte des vergangenen Jahres hat man sich auf einen neuen theoretischen Wert geeinigt.

Es ist keine leichte Aufgabe, das magnetische Moment im Rahmen des Standardmodells zu berechnen. Denn die Eigenschaften des Myons werden von einer ganzen Reihe nicht beobachtbarer „virtueller“ Teilchen beeinflusst – darunter Photonen, Elektronen, Positronen, vor allem aber aus Quarks bestehende Hadronen. All 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. „Die Unsicherheit der theoretischen Vorhersage wird von Effekten der starken Wechselwirkung dominiert“, erklärt Wittig.

Besonders der Beitrag der hadronischen Vakuumpolarisation, bei der aus virtuellen Photonen kurzzeitig Quark- und Antiquark-Paare entstehen, bereitet Kopfzerbrechen. Hier kommt man aufgrund der Eigenheiten der starken Wechselwirkung, die zwischen den Quarks herrscht, mit der gängigen Störungsrechnung der Quantenfeldtheorie nicht weiter, bei der man komplizierte Gleichungen in leichter zu berechnende Terme zerlegt. In die Rechnungen fließen deshalb experimentell gewonnene Daten von Prozessen ein, die in der Vergangenheit an verschiedenen Beschleunigeranlagen gemessen wurden. Die Genauigkeit sei in den vergangenen Jahren immer weiter verbessert worden, so Wittig. Dadurch hat sich die Diskrepanz zum Experiment stabilisiert.

Widersprüchliche theoretische Ergebnisse

Einen anderen Ansatz verfolgt eine Gruppe um den Theoretiker Zoltán Fodor von der Universität Wuppertal. Ihr Ergebnis unterscheidet sich von der gängigen Methode, so dass sich die Diskrepanz zum experimentellen Wert von 4,2 auf 1,5 Sigma reduziert. Dadurch wären Theorie und Experiment fast wieder im Einklang. Mit ihrem Bottom-up-Ansatz kommen Fodor und seine Kollegen vollständig ohne experimentelle Daten aus. Dafür sind ihre Berechnungen, die auf einem numerischen Simulationsverfahren beruhen, äußerst komplex.

Sie verteilen eine Milliarde Parameter – Felder und Teilchen, die der starken Wechselwirkung unterliegen – auf Gitterpunkte in der vierdimensionalen Raum-Zeit. Je feiner das Gitter, desto genauer die Rechnungen. Für ihre jüngsten Rechnungen, die sie in der vergangenen Woche in der Zeitschrift „Nature“ veröffentlicht haben, nutzten die Forscher um Fodor die Rechenleistung der Supercomputer in Jülich, München und Stuttgart. „Dadurch konnten wir unsere Fehler gegenüber früheren Berechnungen um die Hälfte reduzieren“, sagt Fodor. Ist das Standardmodell also gerettet? „Unsere Ergebnisse sind so, wie sie sind.“

Für Hartmut Wittig ist es noch viel zu früh, eine definitive Schlussfolgerung zu ziehen. Die Berechnungen aus Wuppertal müssten erst noch von einer anderen Gruppe mit der gleichen Genauigkeit nachgerechnet werden. Sollten sie sich dann tatsächlich als richtig erweisen, müsste man aber auch verstehen, warum die bisherigen Rechenverfahren für das magnetische Moment ein anderes Resultat geliefert haben. Dann käme man mit den Berechnungen bekannter physikalischer Größen und auch mit einer Vielzahl von experimentellen Daten in Konflikt, so Wittig. „Wie man es auch dreht und wendet, dass es eine Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons gibt, um diese Tatsache kommt man nicht herum.“ Welche neuen physikalischen Effekte oder unbekannten Teilchen womöglich für die Abweichung verantwortlich sind, kann das Experiment am Fermilab jedoch nicht beantworten. Diese Aufgabe wird anderen Experimenten vorbehalten sein.

Wie wird das magnetische Moment des Myons gemessen?

Geladene Teilchen wie Elektronen oder Myonen verhalten sich wegen ihres Spins wie winzige rotierende Stabmagnete. Ein Maß für die Stärke des damit verbundenen magnetischen Moments ist der sogenannte gyromagnetische Faktor oder Landéscher g-Faktor. Für ein freies Elektron hatte Paul Adrien Maurice Dirac Anfang des vergangenen Jahrhunderts einen g-Faktor von 2 berechnet. Der gleiche Wert ergibt sich für Myonen. Diese Elementarteilchen zählen wie die Elektronen zu der Teilchenfamilie der Leptonen, sind aber 207mal so schwer wie die Elektronen und zerfallen nach etwa zwei Mikrosekunden.

Tatsächlich hat man für das magnetische Moment aber einen etwas größeren Wert ermittelt. Das freie Myon ist nämlich permanent von einer Wolke nicht beobachtbarer „virtueller“ Teilchen eingehüllt. 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“. Die Physiker bezeichnen die Anomalie mit a = ½(g-2).

Positronen entfliehen parallel zum Myonenspin

Zur Messung des magnetischen Moments nutzen die Physiker die Tatsache, dass im Magnetfeld des Beschleunigers, in dem sie umlaufen, die Spins und die magnetischen Momente der Myonen wie winzige Kreisel präzedieren. Während die Myonen in dem Speicherring kreisen, rotieren ihre Spins. Die Differenz zwischen der Umlauffrequenz der Myonen und der Rotationsfrequenz der Spins ist proportional zu „g - 2“.

Weil die Myonen schon nach wenigen hundert Umläufen zerfallen, müssen die Forscher zur Ermittlung der Spinanomalie einen Trick anwenden. Sie verwenden für die Messung die Positronen, die beim Zerfall – neben ungeladenen Neutrinos – freigesetzt werden, und zwar in Richtung parallel zum Myonenspin. Mit empfindlichen Detektoren wird die Zahl der entstehenden Positronen gemessen und mit der Spin-Präzession der Myonen korreliert. Die exponentiell abfallenden Kurven sind von einer charakteristischen Oszillation überlagert, aus der die Forscher schließlich die Spinanomalie „g - 2“ der Myonen ermitteln.

Quelle: F.A.Z.
Manfred Lindinger - Portraitaufnahme für das Blaue Buch "Die Redaktion stellt sich vor" der Frankfurter Allgemeinen Zeitung
Manfred Lindinger
Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.
  Zur Startseite
Verlagsangebot
Verlagsangebot