Panorama

Das magnetische Moment des Myons

30.06.2020 - Physiker aus aller Welt verständigen sich auf gemeinsamen Vorhersagewert.

Seit vielen Jahren gibt es eine Abweichung zwischen dem experi­mentell gemessenen Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons und seiner aktuellen theo­retischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die letzte Messung wurde vor 15 Jahren am Brookhaven National Labora­tory durchgeführt. Ziel weltweiter Forschungen ist es herauszufinden, ob diese Abweichung echt ist oder lediglich Folge systematischer Unsicher­heiten in Theorie und Experiment. Dazu müssen beide Werte noch präziser als bisher bestimmt werden. Für die theo­retische Vorhersage haben mehr als 130 Physiker weltweit nun erstmals einen gemeinsamen Standard gesetzt und sich auf einen neuen theoretischen Wert verständigt.

Das Myon ist eines der elementaren Teilchen im Standardmodell – bis auf die 200-mal größere Masse besitzt es ähnliche Eigenschaften wie sein leichter Verwandter, das Elektron. Das magnetische Moment des Myons ist durch quanten­theoretische Effekte eine Winzigkeit größer als die berühmte Berechnung von Paul Dirac aus den 1920er-Jahren. Eine weitere Besonderheit: Aktuell lässt das magnetische Moment des Myons nach Berück­sichtigung aller Quanteneffekte der elektro­magnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung eine Diskrepanz zwischen der Theorie des Standardmodells und dem Experiment stark vermuten. Das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons ist eine der Schlüssel­initiativen des Exzellenz­clusters Prisma+: Schluss­endlich verbirgt sich dahinter die spannende Frage, ob es Abweichungen vom Standard­modell und damit Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells gibt. „In den Jahren seit der Brookhaven-Messung ist es nicht gelungen, die Situation letztlich zu klären“, beschreibt Hartmut Wittig, Sprecher von Prisma+, die aktuelle Situation. „Der Unterschied zwischen Theorie und Experiment ist zu klein, um daraus zweifelsfrei eine echte Abweichung abzuleiten und damit das Standardmodell zu falsi­fizieren. Dennoch ist er zu groß, um ihn einem Zufalls­effekt zuzuschreiben.“

Aktuell erwartet die Forscher-Community mit Spannung das Ergebnis einer neuen Messung am Fermilab. Diese soll um den Faktor vier genauer sein als die bisherige Messung. Seit letztem Jahr ist die Prisma+-Arbeitsgruppe um Martin Fertl an diesem Experiment als offizieller Partner beteiligt. „Mit dieser Steigerung der Präzision müssen wir auch in der Theorie Schritt halten“, beschreibt Hartmut Wittig die Heraus­forderung. Zu diesem Zweck wurde im Jahr 2017 die Muon g-2 Theory-Initiative ins Leben gerufen, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikern, an der von Mainzer Seite Achim Denig, Harvey Meyer, Marc Vanderhaeghen und Hartmut Wittig sowie weitere Mitglieder ihrer jeweiligen Arbeits­gruppen beteiligt sind. Ihr Ziel ist es, alle Aspekte, die in die Berechnung einfließen, hinsichtlich ihrer Unsicher­heiten zu bewerten und einen einzigen Wert zu empfehlen, mit dem neue experimentelle Ergebnisse verglichen werden sollten. „Das haben wir nun erreicht und unser Ergebnis kürzlich veröffentlicht“, kommentieren die Mainzer Wissen­schaftler. „Verschiedene Ansätze, die bisher in unter­schiedlichen Gruppen weltweit getrennt verfolgt wurden, münden nun in einen einzigen Vorher­sagewert. Durch diese Synthese haben wir die bisher verlässlichste und präziseste Vorhersage für das anomale magnetische Moment des Myons erhalten.“

Der Wert für das anomale magnetische Moment des Myons setzt sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen. Die Effekte der starken Wechsel­wirkung sind dabei am schwierigsten verläss­lich vorher­zusagen und aktuell mit der größten Unsicherheit behaftet. Zwei spezielle Effekte – die hadronische Vakuum­polarisation und die hadronische Licht-an-Licht-Streuung – stehen daher im Fokus. Die Wissenschaftler nähern sich ihnen mit unterschiedlichen theoretischen Ansätzen; aktuelle Fortschritte in diesen Bereichen führen zu immer weiter verfeinerten Ergeb­nissen. Auch die experimentell gewonnenen Daten aus Streu­experimenten an Teilchen­beschleunigern sind für die theoretische Vorhersage ein wichtiger Input. Mainzer Physiker sind an fast all diesen Facetten und Aspekten beteiligt. Zudem ist auch mit dem neuen Referenz­wert das letzte Wort aus ihrer Sicht noch nicht gesprochen und so arbeiten die Mainzer Gruppen intensiv daran, die aktuelle Vorhersage noch weiter zu präzisieren. Sie alle erwarten mit großer Spannung den neuen experi­mentellen Wert: „Dann werden wir hoffentlich sagen können, ob uns das Myon die Tür zu einer neuen Physik öffnet oder nicht.“

JGU Mainz / JOL

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