Bringen neue Experimente am Fermilab das Standardmodell der Teilchenphysik zusehends ins Wanken?

Andreas Müller

08/04/202108/04/2021 aktualisiert 4 min

Blick auf den „Muon g-2“-Ring am Teilchenbeschleuniger des Fermilab nahe Chicago. Copyright: Reidar Hahn/Fermilab — Blick auf den „Muon g-2“-Ring am Teilchenbeschleuniger des Fermilab nahe Chicago.
Copyright: Reidar Hahn/Fermilab

Chicago (USA) – Am Teilchenbeschleuniger des Fermilab nahe Chicago haben Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen das magnetische Moment des Myons mit bisher unerreichter Präzision vermessen. Die Ergebnisse der Messungen bestätigen bisherige Vermutungen, dass es im Mikrokosmos bisher unbekannte Teilchen oder Kräfte geben könnte, die im Standardmodell der Teilchenphysik noch nicht beschrieben sind. Hinweise auf die eifrig gesuchte „neue Physik“? Zugleich haben Physiker aus Wuppertal die alten Daten erneut analysiert und sehen stattdessen die die Gültigkeit des physikalischen Standardmodells bestätigt.

Bereits vor zwei Wochen hatten Forschende am Europäischen Kernforschungszentrum CERN mit dem dortigen Teilchenbeschleuniger LHC erstmals den seltenen Zerfall eines Beauty-Quarks unter Beteiligung eines Elektrons und Positrons und damit Hinweise auf eine weitere, fünfte Grundkraft und damit Hinweise auf eine auf eine Physik jenseits des Standardmodells gefunden (…GreWi berichtete).

Wie das Team der internationalen „Muon g-2“-Kollaboration auf einer öffentlichen Pressekonferenz berichtete, ist ihnen mit dem größten Teilchenbeschleuniger in den USA die Messung des magnetischen Moment des Myons gelungen, laut der dieses geringfügig größer ist, als theoretisch im Standardmodell vorhergesagt.

Damit liefert die Messung auch die Bestätigung für ein vor 20 Jahren am Brookhaven National Laboratory durchgeführtes Experiment und damit einen der bisher stärksten Hinweise für die Existenz von Teilchen und/oder Kräften Mikrokosmos jenseits der uns derzeit bekannten Physik.

Beteiligte Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, darunter auch der Physikprofessor Dr. Dominik Stöckinger und seine Frau Dr. Hyejung Stöckinger-Kim vom Institut für Kern- und Teilchenphysik der TU-Dresden, sprechen von einem „Durchbruch in der Physikwelt, denn die Werte weichen vom Standardmodell der Teilchenphysik ab und verdichten damit die Hinweise, dass eine Physik jenseits des Standardmodells existiert.“ Wie die TUD in einer Pressemitteilung berichtet, glauben die Forschenden,“ dass bisher unbekannte Elementarteilchen oder Wechselwirkungen als Ursache für die Abweichung von der im Standardmodell berechneten g-2-Größe des Myons in Frage kommen könnten.“

Hintergrund
2001 wurde am Brookhaven National Laboratory erstmals eine experimentelle Messung des g-2-Werts von Myonen durchgeführt. Myonen ähneln in vielen ihrer Eigenschaften den Elektronen, sie sind nur viel schwerer. Myonen entstehen auf natürliche Weise, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft, Teilchenbeschleuniger können sie in großer Zahl erzeugen. Alle Wechselwirkungen und Elementarteilchen tragen mit ihren jeweiligen Eigenschaften zu der Größe g-2 (g-Faktor) des Myons bei. Das Standardmodell sagt dieses so genannte anomale magnetische Moment sehr genau voraus. Existieren jedoch zusätzliche Kräfte oder Teilchen, die vom Standardmodell nicht berücksichtigt werden, würde dies den g-2-Wert der Myonen verändern. Bei der ersten Messung im Jahr 2001 ergab sich eine signifikante Abweichung des experimentellen Werts zur theoretisch berechneten Größe des Standardmodells. Leider war das Experiment nicht empfindlich genug, um eine zufällige Fluktuation des Messwerts als Ursache auszuschließen. (Quelle: TUD)

Die nun von der „Muon g-2“-Kollaboration vorgestellten Ergebnisse bestätigen nun überraschenderweise die Werte von damals und eröffnen damit einen völlig neuen Blick auf die subatomare Welt.

Die allgemein akzeptierten theoretischen Werte des Standardmodells für das Myon betragen:
g-Faktor: 2.00233183620(86)
Anomales magnetisches Moment: 0.00116591810(43)

Die neuen experimentellen Durchschnittsergebnisse der Myon g-2-Kollaboration betragen:
g-Faktor: 2.00233184122(82)
Anomales magnetisches Moment: 0.00116592061(41)

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Zwar unterscheiden sich die Werte also erst in der achten Nachkommastelle, dennoch deute auch schon diese geringfügige Abweichung daraufhin, „dass das Standardmodell der Elementarteilchenphysik unzureichend ist“, erläutert Stöckinger, für den sich damit sich die Hinweise auf bisher unbekannte Elementarteilchen verdichten: „Als theoretische Physiker haben wir viele Jahre daran gearbeitet, theoretische Vorhersagen zu erarbeiten, die dann mit diesem Experiment verglichen werden könnten. In unserer Arbeit haben wir bereits gesehen, dass einige, jedoch bei weitem nicht alle, Ideen für solch neue Physik diese Abweichung erklären können. Wir werden nun das heute veröffentlichte Ergebnis mit anderen Elementarteilchenexperimenten kombinieren und genau analysieren, welche Arten von neuen Teilchen, zum Beispiel dunkle-Materie-Teilchen, zusätzliche Higgs-Teilchen oder vielleicht sogar noch exotischere Teilchen, die Beobachtungen am besten erklären, um Fortschritte im Verständnis der fundamentalen Physik zu erzielen.“

Zugleich vermelden theoretische Physiker um Prof. Dr. Zoltán Fodor von der Universität Wuppertal und Kollegen der Universitäten Budapest und Marseille (weshalb die Gruppe auch als BMW-Gruppe bezeichnet wird) aber auch einen Erfolg bei einer höchstpräzisen Neubewertung genau jener Brookhaven-Ergebnisse, die vor 20 Jahren die Kontroverse ausgelöst hatten, wie sie nun von der „Muon g-2“-Kollaboration am Fermilab bestätigt wurden.

Der Unterschied zwischen beiden Ansätzen: Am Fermilab wurde das magnetische Myonen-Moment gemessen, die BMW-Gruppe hat sie ausgerechnet.

Wie die Pressemitteilung der Universität Wuppertal erläutert, gelang es Physikern und Physikerinnen nun mithilfe von sogenannten Gitter QCD-Rechnungen, eine Methode zur computergestützten Lösung hochkomplexer Gleichungen, die Genauigkeit der damaligen Messungen zu übertreffen. Demnach kommen Zoltán und Kollegen zu dem Schluss, dass „der damals gemessene Effekt zu klein war, um eine echte wissenschaftliche Entdeckung und damit eine ,neue Physik‘ bzw. eine Erweiterung des Modells auszusprechen, aber gleichzeitig viel zu groß, um ihn zu ignorieren. Fast jeder rechnete damit, dass neue, noch nicht veröffentlichte aber immer präziser werdende experimentelle Ergebnisse die Diskrepanz vergrößern und damit die Existenz von neuer Physik und neuen Kräften beweisen würden.“

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Noch kurz bevor besagte Ergebnisse nun (wie obig beschrieben) veröffentlicht wurden, sprechen die Forschenden um Prof. Zoltán in ihrem aktuell im Fachjournal „Nature“ (DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1) veröffentlichten Studie nun davon, dass ihre Ergebnisse „zu einer unerwarteten Wende“ in der Kontroverse um die ehemaligen Brookhaven-Ergebnisse führen und erklären dazu: „Es sieht so aus, als sei die gemessene Diskrepanz verschwunden – Theorie und Experiment wären damit in Einklang. Für Physikern und Physikerinnen bleibt das Feld rund um die Myonen aber weiterhin spannend: Der Wert für das anomale magnetische Moment setzt sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen, die sich unterschiedlich verlässlich vorhersagen lassen.“ Die Präzision, mit der sich die experimentellen Werte messen lassen, werde immer besser, bemerken die BMW-Autoren und attestieren, dass dabei auch die Theorie und Genauigkeit des Standardmodells mithalten müsse. Und da die Forscher davon ausgehen, dass es zukünftig noch präziser geht, sehen sie in dem magnetischen Feld um das Myon weiterhin eine Schlüsselrolle für die mögliche Entdeckung von neuen physikalischen Gesetzen und Kräften.

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