Hoffnung auf neue Physik wächst

Myon g-2 Kollaboration veröffentlicht neues Messergebnis zum anomalen magnetischen Moment des Myons / Hinweise auf eine echte Abweichung zwischen Experiment und Theorie verdichten sich

07.04.2021

Mit großer Spannung erwartet und nun verkündet: Die Myon g-2 Kollaboration hat heute erste Resultate ihrer Messungen zum anomalen magnetischen Moment des Myons veröffentlicht – eine Präzisionsgröße, welche einen der vielversprechendsten Tests der Vorhersagen des aktuell gültigen Standardmodells der Teilchenphysik ermöglicht. Mit dem nun gemessenen Wert, der genauer ist als alle Werte zuvor, verdichten sich die Hinweise auf eine neue Physik jenseits dieses Standardmodells und damit auf die Existenz bisher unbekannter Teilchen oder Kräfte. Das Ergebnis wurde bei einem online-Seminar am Fermilab (FNAL) vorgestellt und in vier wissenschaftlichen Artikeln veröffentlicht.

"Im Jahr 2014 habe ich als Postdoktorand an der University of Washington, Seattle, begonnen am Myon g-2 Experiment zu arbeiten", sagt Prof. Dr. Martin Fertl, der seit 2019 im Bereich der Niederenergieteilchenphysik am Exzellenzcluster PRISMA+ forscht. "Deshalb ist heute ein ganz besonderer Tag. Wir können ein erstes Ergebnis verkünden und gleichzeitig sagen, dass dieses Ergebnis die Tür zu einer bisher unbekannten Physik noch weiter geöffnet hat."

Der heute veröffentlichte neue experimentelle Wert für das anomale magnetische Moment des Myons lautet a(FNAL) = 116 592 040(54) x 10-11 und hat eine relative Unsicherheit von 460 Teile in 1 Milliarde. Mit dem Ergebnis des vor mehr als 20 Jahren abgeschlossenen Experiments am Brookhaven National Laboratory ergibt sich ein neuer experimenteller Mittelwert von a(Exp.,avg.) = 116 592 061(41) x 10-11. Demgegenüber steht die theoretische Vorhersage im Rahmen des Standardmodells a(Theor.) = 116 591 810(43) x 10-11. Den Unterschied der beiden Werte klassifizieren die Physikerinnen und Physiker mit 4,2 Standardabweichungen. Das bedeutet: Die Wahrscheinlichkeit, dass diese Abweichung zwischen Experiment und Theorie zufällig ist, beträgt 0,0025 Prozent (1 in 40.000). Von einer Entdeckung – in diesem Fall der Widerlegung des Standardmodells – sprechen die Physikerinnen und Physiker ab einer Wahrscheinlichkeit, die kleiner als 0,00005 Prozent ist und 5 Standardabweichungen entspricht.

Zahlreiche Mainzer Beiträge – in Experiment wie Theorie

Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Martin Fertl ist die Einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen an der Myon g-2 Kollaboration beteiligt ist. Das "Pendant" ist die "Myon g-2 Theorie Initiative": ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikerinnen und Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst. Die Initiative wurde im Jahr 2017 gegründet, um mit gebündelten Kräften die Unsicherheit dieses Vorhersagewerts für das anomale magnetische Moment des Myons signifikant zu reduzieren. "Erst im letzten Jahr haben wir erstmals einen gemeinsamen Standard gesetzt und uns weltweit auf einen neuen theoretischen Wert verständigt", berichtet Prof. Dr. Hartmut Wittig, theoretischer Physiker und zugleich Sprecher des Exzellenzclusters PRISMA+. "Unser Ziel ist es, parallel zum Experiment, auch die theoretische Vorhersage immer weiter zu verfeinern." Die Physikerinnen und Physiker von PRISMA+ leisten hier entscheidende Beiträge, von der Messung experimenteller Input-Größen bis hin zur hochpräzisen Berechnung der Beiträge der starken Wechselwirkung mit den Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik auf dem Großrechner MOGON-II der JGU.

Sieht das Experiment etwas, was die Theorie nicht vorhersagt?

Erstmals trat eine Diskrepanz – mit 3,7 Standardabweichungen – beim Vergleich zwischen theoretischer Vorhersage und dem Ergebnis des oben genannten Experiments am Brookhaven National Laboratory zu Tage.  In den seitdem vergangenen 20 Jahren war es Ziel weltweiter Forschungen herauszufinden, ob diese Abweichung "echt" oder "lediglich" Folge systematischer Unsicherheiten in Theorie und Experiment ist. Um die magnetischen Eigenschaften des Myons so genau wie nie zuvor zu vermessen, wurde das aktuelle Myon g-2 Experiment entwickelt. In der Myon g-2 Kollaboration arbeiten mehr als 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 35 Institutionen aus sieben Ländern.

Das Myon ist der schwere Bruder des Elektrons und lebt nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde. Es besitzt ein magnetisches Moment, eine Art inneren Miniatur-Stabmagnet. Es hat auch einen quantenmechanischen Drehimpuls, genannt Spin, ähnlich wie ein Kreisel. Der g-Faktor ist das Verhältnis der beobachteten Stärke des Magneten zu einer einfachen Schätzung auf der Basis der elektrischen Ladung, Masse und Spin des Myons. Das Myon g-2-Experiment hat seinen Namen daher, dass das "g" des Myons immer ein wenig – um etwa 0,1 Prozent – von der einfachen Erwartung g=2 abweicht. Diese Anomalie wird gemeinhin als das anomale magnetische Moment des Myons bezeichnet (a = (g-2)/2). Das Myon g-2 Experiment vermisst die Rotationsfrequenz der "internen Kompassnadel" der Myonen in einem Magnetfeld, sowie das Magnetfeld selbst und bestimmt daraus das anomale magnetische Moment. Der Myonenstrahl wird am Myonen-Campus des FNAL speziell für das Experiment erzeugt – er weist eine bisher nicht erreichte Reinheit auf.

Mehr als 8 Milliarden Myonen bereits vermessen

"Wir erreichen bereits bei unserer ersten Analyse, die wir heute vorstellen, eine Genauigkeit, die schon etwas besser ist als bei dem Vorgängerexperiment – und haben dazu erst weniger als 6 Prozent des geplanten Datensatzes ausgewertet", konkretisiert Martin Fertl. "Unser Ziel, am Ende mit dem neuen Myon g-2 Experiment eine, um den Faktor vier, höhere Genauigkeit von 140 Teilen zu 1 Milliarde zu erzielen, erscheint damit sehr realistisch."

Die aktuell ausgewerteten Daten stammen aus der ersten Messrunde im Jahr 2018 – es sind bereits mehr Daten als in allen vorherigen g-Faktor Experimenten zusammengenommen. Die zweite und dritte Runde sind ebenfalls bereits "im Kasten". Nachdem die dritte Runde aufgrund der weltweiten Corona-Pandemie abrupt vorzeitig abgebrochen werden musste, wird derzeit die vierte Runde mit strengen Sicherheitsauflagen und weitgehend ferngesteuert fortgeführt. Eine fünfte Runde soll im Herbst 2021 starten.

Um die Analysen möglichst objektiv zu gestalten, arbeiten mehrere Analyseteams parallel und unabhängig voneinander. Zudem kommen Techniken der Verblindung, wie man sie aus medizinischen Studien kennt, zum Einsatz: Zunächst beziehen die Analyseteams die Frequenzen, die sie messen, auf eine Uhr, die in ihrer Gangart leicht verändert wurde – und nun zu schnell oder zu langsam läuft. Bei einer Wanduhr würden damit beispielsweise 60 Schwingungen des Pendels nicht genau einer Minute entsprechen, sondern etwas mehr oder weniger. Den Faktor, um den die Uhr verstellt wurde – im Experiment entspricht dies einem bestimmten Signal an den Frequenzmessgeräten – kennen nur zwei Personen außerhalb der Kollaboration. Erst wenn die relativen Ergebnisse der einzelnen Teams untereinander konsistent sind (= relative Entblindung), wird dieser Faktor bekannt gegeben und kann mit eingerechnet werden. Diese absolute Entblindung fand für die jetzt vorgestellte Auswertung Ende Februar 2021 statt.

Die Spezialität von Martin Fertl und seiner Arbeitsgruppe ist die extrem präzise Vermessung des Magnetfelds im Myonen-Speicherring über die gesamte mehrjährige Messzeit. Bereits an seiner früheren Wirkungsstätte leitete er dazu die Entwicklung einer Anordnung hochempfindlicher Magnetometer, die auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren. Mehrere hundert dieser Messköpfe sind in den Wänden der die Myonen umgebenden Vakuumkammern installiert. Weitere 17 Messköpfe umrunden ferngesteuert den Speicherring, der einen Durchmesser von 14 Metern hat, um das angelegte Magnetfeld noch umfassender zu vermessen. "Mithilfe weiterer Kalibrierungssystemen wollen wir das Magnetfeld im Myonen-Speicherring mit nie zuvor erreichter Genauigkeit bestimmen. Nur wenn wir das Magnetfeld sehr genau verstehen und auch vermessen können, sind wir in der Lage das anomale magnetische Moment des Myons mit maximaler Präzision zu bestimmen", sagt Martin Fertl. "Um letzteres mit einer Genauigkeit von 140 Teilen zu 1 Milliarde angeben zu können – das entspräche der angestrebten vier Mal besseren Genauigkeit gegenüber dem Vorgängerexperiment –, müssen wir in der Lage sein das Magnetfeld, in dem sich die Myonen bewegen, auf 70 Teile zu 1 Milliarde genau zu vermessen."

Auf dem Weg dorthin sind die Forscher auf sehr interessante und bisher unbekannte Effekte gestoßen: "Zum Beispiel haben wir erstmals kleine, aber bedeutende zeitliche Veränderungen im Magnetfeld registriert – und spezielle Messköpfe entwickelt, um diesen Effekt genau zu vermessen. So verbessern wir unser Verständnis des Magnetfelds und entwickeln damit unser Myon g-2 Experiment kontinuierlich weiter. Mit diesem 'Work in Progress' wollen wir unserem großen Ziel in den nächsten Jahren immer näherkommen und die Frage, ob das anomale magnetischen Moment des Myons der Schlüssel zu einer neuen Physik ist, definitiv beantworten."