Beste Messung, wieder komisch:
Teilchen macht seit Jahrzehnten Ärger
Es war nur ein merkwürdiger Messwert - doch er lässt die Teilchenphysik seit Jahrzehnten nicht mehr los. Jetzt haben Forscher eine der präzisesten Bestimmungen des Myonverhaltens abgeschlossen - und es zeigt sich wieder: Etwas stimmt nicht.
Diese Anomalie galt lange als mögliches Fenster in eine neue Physik. Doch um sicherzugehen, mussten die Daten mit deutlich höherer Präzision überprüft werden. Genau das tat die internationale Muon g-2-Kollaboration - mit einem neu aufgesetzten Experiment am Fermilab bei Chicago, rund zwei Jahrzehnte später, aber mit dem exakt gleichen Ring aus supraleitenden Magneten.
Zwischen 2018 und 2023 schleusten die Forschenden dort Milliarden Myonen in den 14 Meter großen Speicherring. Während die Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kreisten, wurde ihre Rotation über den Zerfall in Positronen sichtbar gemacht. Die Frequenz dieser sogenannten Präzession erlaubt eine präzise Bestimmung des magnetischen Moments - der Größe, um die es geht.
Das jetzt veröffentlichte finale Ergebnis basiert auf einer Verdopplung der Datenmenge gegenüber 2023 und bestätigt: Die Abweichung bleibt bestehen. Die Messungen der sechs Datenzyklen - alle mit stabilen Magnetfeldern und exakter Kalibrierung - ergeben eine hochpräzise Bestimmung des g-Faktors. Sie wurde der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur Begutachtung vorgelegt.
Der Muon g-2 Ring am Fermilab
Fakten zum Muon g-2-Experiment
Allerdings hat sich auch die theoretische Seite weiterentwickelt. Mithilfe neuer Rechenmethoden und Supercomputern ist es unabhängigen Teams in den vergangenen Jahren gelungen, den theoretischen Erwartungswert neu zu bestimmen - und damit eine bessere Annäherung an die Messdaten zu erreichen. Ob eine neue Physik im Spiel ist oder lediglich eine genauere Theorie entsteht, bleibt auch nach Jahrzehnten Forschung und einer der bisher genauesten Messungen offen.
Ein halbes Jahrhundert Forschung, Milliarden Teilchen, modernste Sensorik - und am Ende steht wieder ein Fragezeichen. Das Myon bleibt ein flüchtiger Zeuge - und seine Abweichung ein Kompass, der die Physik auf unbekanntes Terrain zu weisen scheint.
Warum das Myon die Physik nervös macht - drei Punkte:
Siehe auch:
Mysteriöses Myon: 50 Jahre Teilchen-Rebellion
Schon in den 1960er- und 70er-Jahren galt das Myon - ein schwererer Verwandter des Elektrons - als ideales Teilchen, um die Grundlagen der Physik zu testen. Seine Bewegung im Magnetfeld, das sogenannte "Wobbeln", sollte exakt vorhersehbar sein. Doch in den 1990er- und frühen 2000er-Jahren registrierte ein Experiment am Brookhaven National Laboratory seltsame Abweichungen. Das Myon drehte sich nicht so, wie es das Standardmodell der Teilchenphysik erwarten ließ.Diese Anomalie galt lange als mögliches Fenster in eine neue Physik. Doch um sicherzugehen, mussten die Daten mit deutlich höherer Präzision überprüft werden. Genau das tat die internationale Muon g-2-Kollaboration - mit einem neu aufgesetzten Experiment am Fermilab bei Chicago, rund zwei Jahrzehnte später, aber mit dem exakt gleichen Ring aus supraleitenden Magneten.
Zwischen 2018 und 2023 schleusten die Forschenden dort Milliarden Myonen in den 14 Meter großen Speicherring. Während die Teilchen mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kreisten, wurde ihre Rotation über den Zerfall in Positronen sichtbar gemacht. Die Frequenz dieser sogenannten Präzession erlaubt eine präzise Bestimmung des magnetischen Moments - der Größe, um die es geht.
Das jetzt veröffentlichte finale Ergebnis basiert auf einer Verdopplung der Datenmenge gegenüber 2023 und bestätigt: Die Abweichung bleibt bestehen. Die Messungen der sechs Datenzyklen - alle mit stabilen Magnetfeldern und exakter Kalibrierung - ergeben eine hochpräzise Bestimmung des g-Faktors. Sie wurde der Fachzeitschrift Physical Review Letters zur Begutachtung vorgelegt.
Der Muon g-2 Ring am Fermilab
Fakten zum Muon g-2-Experiment
- Teilchen: Myon - schwerer Verwandter des Elektrons
- Messgröße: Anomaler magnetischer Moment (g-2)
- Ziel: Abgleich von Theorie (Standardmodell) und präziser Messung
- Ort: Fermilab, bei Chicago
- Dauer: April 2018 - Mai 2023
- Methode: Myonen kreisen in Magnetring, Zerfall wird analysiert
Allerdings hat sich auch die theoretische Seite weiterentwickelt. Mithilfe neuer Rechenmethoden und Supercomputern ist es unabhängigen Teams in den vergangenen Jahren gelungen, den theoretischen Erwartungswert neu zu bestimmen - und damit eine bessere Annäherung an die Messdaten zu erreichen. Ob eine neue Physik im Spiel ist oder lediglich eine genauere Theorie entsteht, bleibt auch nach Jahrzehnten Forschung und einer der bisher genauesten Messungen offen.
Widerspenstiges Teilchen
"Diese Messung wird ein Referenzpunkt für viele Jahre bleiben", sagt Marco Incagli vom INFN in Italien. Weitere Experimente, etwa am japanischen J-PARC, sind bereits in Vorbereitung und sollen bis Ende des Jahrzehnts noch einmal unseren Blick schärfen.Ein halbes Jahrhundert Forschung, Milliarden Teilchen, modernste Sensorik - und am Ende steht wieder ein Fragezeichen. Das Myon bleibt ein flüchtiger Zeuge - und seine Abweichung ein Kompass, der die Physik auf unbekanntes Terrain zu weisen scheint.
Warum das Myon die Physik nervös macht - drei Punkte:
- Der Spin wackelt anders als erwartet:
- Das Myon verhält sich in einem Magnetfeld leicht anders, als es die Theorie voraussagt. Es "wobbelt" mit einer Frequenz, die minimal von der Vorhersage des Standardmodells abweicht - aber diese Abweichung ist messbar und konsistent.
- Alle bekannten Teilchen sind schon eingerechnet:
- Im Standardmodell wurden alle bekannten Kräfte und Teilchen berücksichtigt, um das Myonverhalten vorherzusagen. Eine Abweichung deutet also darauf hin, dass etwas fehlt - etwa ein bislang unbekanntes Teilchen oder eine neue Kraft.
- Die Messung ist extrem präzise - und trotzdem passt es nicht:
- Die Experimente am Fermilab erreichen eine Präzision im Bereich von Billionstel - und trotzdem bleibt ein kleiner Unterschied zur Theorie bestehen. Das bringt das gesamte Modell ins Wanken, denn das Standardmodell verträgt eigentlich keine Lücke.
Was sind Myonen?
Myonen sind Elementarteilchen, die in vielen Eigenschaften dem Elektron ähneln. Sie besitzen wie das Elektron eine negative Elementarladung und gehören zur Gruppe der Leptonen, sind aber etwa 200-mal schwerer als Elektronen.
Obwohl Myonen in der Teilchenphysik eine wichtige Rolle spielen, sind sie im Alltag nicht direkt wahrnehmbar. Sie entstehen hauptsächlich in der kosmischen Strahlung und haben eine sehr kurze Lebensdauer von nur etwa 2,2 Mikrosekunden, bevor sie in andere Teilchen zerfallen.
Obwohl Myonen in der Teilchenphysik eine wichtige Rolle spielen, sind sie im Alltag nicht direkt wahrnehmbar. Sie entstehen hauptsächlich in der kosmischen Strahlung und haben eine sehr kurze Lebensdauer von nur etwa 2,2 Mikrosekunden, bevor sie in andere Teilchen zerfallen.
Wo kommen Myonen vor?
Myonen sind ein Hauptbestandteil der sekundären kosmischen Strahlung, die entsteht, wenn die primäre kosmische Strahlung aus dem Weltall auf Atomkerne in der oberen Erdatmosphäre trifft. In Meereshöhe erreichen etwa 100 Myonen pro Quadratmeter und Sekunde die Erdoberfläche.
Künstlich können Myonen in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, indem hochenergetische Protonen auf ein Target geschossen werden. Dabei entstehen zunächst Pionen, die dann in Myonen und Neutrinos zerfallen. Durch ihre besondere Natur sind Myonen für die Forschung besonders interessant.
Künstlich können Myonen in Teilchenbeschleunigern erzeugt werden, indem hochenergetische Protonen auf ein Target geschossen werden. Dabei entstehen zunächst Pionen, die dann in Myonen und Neutrinos zerfallen. Durch ihre besondere Natur sind Myonen für die Forschung besonders interessant.
Warum sind Myonen so wichtig?
Myonen eignen sich hervorragend, um fundamentale Kräfte in der Physik mit höchster Präzision zu studieren. Da sie nach heutigem Kenntnisstand punktförmig sind, lassen sich ihre Eigenschaften sehr genau berechnen und mit experimentellen Messungen vergleichen.
Besonders interessant ist die magnetische Anomalie des Myons (g-2-Wert), deren Messung möglicherweise auf bisher unbekannte Teilchen oder Kräfte hindeuten könnte. Abweichungen zwischen Theorie und Experiment könnten ein Hinweis auf "Neue Physik" jenseits des Standardmodells sein.
Besonders interessant ist die magnetische Anomalie des Myons (g-2-Wert), deren Messung möglicherweise auf bisher unbekannte Teilchen oder Kräfte hindeuten könnte. Abweichungen zwischen Theorie und Experiment könnten ein Hinweis auf "Neue Physik" jenseits des Standardmodells sein.
Wie lange leben Myonen?
Die mittlere Lebensdauer eines ruhenden Myons beträgt etwa 2,2 Mikrosekunden, was einer Halbwertszeit von etwa 1,5 Mikrosekunden entspricht. Diese extrem kurze Zeitspanne macht die Untersuchung von Myonen technisch anspruchsvoll.
Interessanterweise erscheint die Lebensdauer von schnellen Myonen aus der kosmischen Strahlung durch die Zeitdilatation der Relativitätstheorie verlängert. Bei Myonen mit 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit wurde eine etwa neunmal längere Halbwertszeit gemessen - ein eindrucksvoller Beweis für Einsteins Theorie.
Interessanterweise erscheint die Lebensdauer von schnellen Myonen aus der kosmischen Strahlung durch die Zeitdilatation der Relativitätstheorie verlängert. Bei Myonen mit 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit wurde eine etwa neunmal längere Halbwertszeit gemessen - ein eindrucksvoller Beweis für Einsteins Theorie.
Wie wurden Myonen entdeckt?
Myonen wurden 1936 von Carl D. Anderson und Seth Neddermeyer bei der Untersuchung von kosmischer Strahlung entdeckt und unabhängig davon 1937 von J. Curry Street und E. C. Stevenson nachgewiesen. Beide Forschergruppen veröffentlichten ihre Ergebnisse in derselben Ausgabe des Physical Review im Jahr 1937.
Die unerwartete Entdeckung eines Teilchens, das sich wie das Elektron verhielt, aber eine viel höhere Masse hatte, veranlasste den Physiker Isidor Isaac Rabi zu seinem berühmten Ausspruch: "Who ordered that?" ("Wer hat denn das bestellt?").
Die unerwartete Entdeckung eines Teilchens, das sich wie das Elektron verhielt, aber eine viel höhere Masse hatte, veranlasste den Physiker Isidor Isaac Rabi zu seinem berühmten Ausspruch: "Who ordered that?" ("Wer hat denn das bestellt?").
Wofür nutzt man Myonen?
Myonen werden in der Myonentomografie eingesetzt, um große Objekte zu durchleuchten. Da sie mehrere Kilometer dicken Fels durchdringen können, wurden sie beispielsweise zur Untersuchung der Pyramiden in Ägypten genutzt, wobei in der Cheops-Pyramide bisher unbekannte Hohlräume entdeckt wurden.
In der Forschung dienen Myonen zur Untersuchung der Struktur von Protonen und Neutronen sowie zur Präzisionsmessung fundamentaler physikalischer Konstanten. Die myonenkatalysierte Fusion wurde auch als mögliche Methode zur Energiegewinnung vorgeschlagen, ist aber derzeit technisch nicht realisierbar.
In der Forschung dienen Myonen zur Untersuchung der Struktur von Protonen und Neutronen sowie zur Präzisionsmessung fundamentaler physikalischer Konstanten. Die myonenkatalysierte Fusion wurde auch als mögliche Methode zur Energiegewinnung vorgeschlagen, ist aber derzeit technisch nicht realisierbar.
Was ist die g-2-Anomalie?
Die g-2-Anomalie des Myons bezieht sich auf eine Abweichung zwischen dem theoretisch berechneten und dem experimentell gemessenen magnetischen Moment des Myons. Diese winzige Diskrepanz könnte auf bisher unbekannte Teilchen oder Kräfte hindeuten.
Präzisionsmessungen am Fermilab im Jahr 2021 bestätigten frühere Ergebnisse und ergaben eine Abweichung vom theoretischen Wert mit einer Signifikanz von 4,2 Standardabweichungen. Dies entspricht einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1:100.000, dass diese Abweichung zufällig ist.
Präzisionsmessungen am Fermilab im Jahr 2021 bestätigten frühere Ergebnisse und ergaben eine Abweichung vom theoretischen Wert mit einer Signifikanz von 4,2 Standardabweichungen. Dies entspricht einer Wahrscheinlichkeit von etwa 1:100.000, dass diese Abweichung zufällig ist.
Wie belegen Myonen Einsteins Theorie?
Myonen aus der kosmischen Strahlung sind ein eindrucksvolles Beispiel für die Zeitdilatation der speziellen Relativitätstheorie. Ohne diesen Effekt müssten aufgrund ihrer kurzen Lebensdauer fast alle Myonen zerfallen, bevor sie die Erdoberfläche erreichen könnten.
Tatsächlich erreichen jedoch die meisten Myonen, die in der äußeren Erdatmosphäre entstehen, den Erdboden. Experimente haben gezeigt, dass schnelle Myonen mit 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit eine etwa neunmal längere Halbwertszeit haben - genau wie von Einsteins Theorie vorhergesagt.
Tatsächlich erreichen jedoch die meisten Myonen, die in der äußeren Erdatmosphäre entstehen, den Erdboden. Experimente haben gezeigt, dass schnelle Myonen mit 99,5 % der Lichtgeschwindigkeit eine etwa neunmal längere Halbwertszeit haben - genau wie von Einsteins Theorie vorhergesagt.
Zusammenfassung
- Langjährige Anomalie beim Myon widerspricht physikalischen Vorhersagen
- Internationale Forschergruppe bestätigt abweichende Messwerte im Fermilab
- Jahrelange Präzisionsmessungen mit supraleitendem Magnetring durchgeführt
- Messungen zwischen 2018 und 2023 mit Milliarden Teilchen vorgenommen
- Finale Ergebnisse beruhen auf verdoppelter Datenmenge gegenüber 2023
- Theoretische Berechnungen nähern sich inzwischen den Messergebnissen an
- Weitere Experimente am japanischen J-PARC für dieses Jahrzehnt geplant
Siehe auch:
- Zu viel Myonen: Jahrzehntelanges Physik-Rätsel möglicherweise gelöst
- Eine neue Physik? - Myonen-Experiment stellt Standardmodell infrage
- Kernfusion: 70 Jahre altes Problem schädlicher Teilchen wohl gelöst
- Clever messen: Durchbruch beim Nachweis hochenergetischer Teilchen
- Durchbruch am CERN: Forscher entdecken seltenes Antimaterie-Teilchen
Thema:
