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Fermilab zu Myonen: Gibt es neue Teilchen, die die Physik nicht kennt?

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Von Euronews mit AP
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Das von Fermilab zur Verfügung gestellte Foto zeigt den Muon g-2 Ring am Fermi National Accelerator Laboratory außerhalb von Chicago, August 2017
Das von Fermilab zur Verfügung gestellte Foto zeigt den Muon g-2 Ring am Fermi National Accelerator Laboratory außerhalb von Chicago, August 2017   -   Copyright  Reidar Hahn/Fermilab via AP
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In dieser Woche sorgten erste Forschungsergebnisse am Fermilab bei Chicago für Aufregung unter Physikern. Denn die Auswertung von Messungen mit Myonen bestätigen Lücken im Standardmodell der Elementarteilchen, die die Wissenschaftler schon früher vermutet haben. Das deutet darauf hin, dass bisher unbekannte physikalische Kräfte wirken, für die nun eine Erklärung gefunden werden muss.

In dem Experiment wurden die Eigenschaften von Myonen genauer untersucht.

Myonen sind Elementarteilchen der Gruppe der sogenannten Leptonen, die zusammen mit Quarks und Bosonen die Grundbausteine der Materie bilden. Ihre Eigenschaften sind am ehesten mit denen von Elektronen zu vergleichen. Allerdings sind Myonen schwerer als Elektronen - und sie sind instabil, das heißt, sie zerfallen nach wenigen Sekundenbruchteilen.

Das magnetische Moment der Myonen

Myonen besitzen wie Elektronen ein magnetisches Moment: Sie können mit einem von außen einwirkenden Magnetfeld wechselwirken und dann mithilfe verschiedener Messungen untersucht werden. Derartige Experimente kann man sich wie einen magnetischen Kreisel vorstellen, dessen Rotations- und Präzessionsverhalten (das heißt Richtungsänderung der Rotationsachse) charakterisiert wird.

Mithilfe der Quanten-Elektrodynamik kann das magnetische Moment im Rahmen des Standardmodells, das diesen Experimenten zugrunde liegt, sehr genau berechnet werden. Quanteneffekte, die als "anomales magnetisches Moment" oder auch "g-2" bezeichnet werden und etwa 0.1 Prozent betragen, beruhen darauf, dass das magnetische Moment der Myonen von ihrer Umgebung beeinflusst wird. Das muss für die Berechnung mit berücksichtigt werden. Da ein Myon potenziell mit sehr vielen - auch bislang unentdeckten - Teilchen in Wechselwirkung stehen kann, ist diese Größe für Physiker bedeutsam.

Myonen kommen auch in der Natur vor, wenn beispielsweise kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Allerdings müssen sie für Experimente auf der Erde in großen Apparaturen - Teilchenbeschleunigern - wie dem Fermilab bei Chicago in großer Zahl erzeugt werden.

Standardmodell weicht von Messungen ab

Für den Versuch haben die Forscher die Myonen in einen Ring von rund 14 Metern Durchmesser eingespeist und sie einem beständigen Magnetfeld ausgesetzt. Die Messungen zum Verhalten der Myonen im Magnetfeld werden mit den laut Standardmodell zu erwartenden Berechnungen verglichen - daraus ergibt sich das abweichende magnetische Moment.

Bei den jüngsten Messungen wich der Myonen-Spin von der theoretisch erwarteten Vorhersage ab. Oder anders ausgedrückt: der berechnete Wert 0.00116592061(41) weicht um 4,2 Standardabweichungen von demauf Basis des Standardmodells berechneten theoretischen Wert 0.00116591810(43) ab.

"Diese Ergebnisse von Fermilab sind meiner Meinung nach sehr bedeutsam. Es gibt seit langem eine Abweichung zwischen den Vorhersagen des Standardmodells, unserer derzeit am besten funktionierenden Theorie der Teilchenphysik in der Natur, und den Messungen, die früher in den USA durchgeführt wurden", erklärt Matthew McCullough, theoretischer Physiker bei der Europäischen Organisation für Kernforschung (CERN) und weiter: "Diese Diskrepanz hat lange Zeit die Aufmerksamkeit aller auf sich gezogen, und diese neuen Fermilab-Ergebnisse bestätigen die Messungen, die früher durchgeführt wurden. Die Anomalie bleibt also bestehen."

Die Wissenschaftler vom CERN in Genf haben den Fermilab-Kollegen in den USA auf Twitter gratuliert.

Bestätigung von 20 Jahre alten Messungen

Messungen am Brookhaven National Laboratory 2001 hatten ergeben, dass eine Diskrepanz zwischen dem theoretischen Sollwert und dem berechneten Wert vorlag. Die Standardabweichung lag bei 3,7 - zu gering, um als handfeste Entdeckung zu gelten. Mit weiteren Experimenten wollten die Physiker dieser "Lücke" auf den Grund gehen. Die nun veröffentlichten ersten Ergebnisse bestätigen die Berechnungen von 2001.

Laut CERN wird schon seit 1959 an ähnlichen Experimenten gearbeitet.

Noch werden die Forscher in den USA ein bis zwei Jahre brauchen, um die Ergebnisse aller Myonen-Spins in dem 14-Meter-Ring auszuwerten. Dennoch liefern die Ergebnisse schon jetzt ein starkes Indiz dafür, dass die Myonen mit anderen Teilchen und Kräften interagieren, die selbst Physikern noch nicht bekannt sind:

"Wenn diese Messung am Fermilab und zuvor in Brookhaven auf eine neue Physik zurückzuführen ist, dann bedeutet das, dass es neue Teilchen gibt, die zu allen möglichen anderen Kräften beitragen können und die wir bisher in der Natur nicht beobachtet haben", führt McCullough aus.

Weitere Quellen • Fermilab