Ihre Browserversion ist veraltet. Wir empfehlen, Ihren Browser auf die neueste Version zu aktualisieren.

Geheimnisvolle Urkraft im Universum: Die Myonen-Anomalie

Veröffentlicht am 16.12.2021

Grazyna Fosar

FermilabFermilabNun einmal ehrlich: Wann haben wir zum letzten Mal über eine wirklich bedeutende Entdeckung berichtet? Vielleicht vor knapp zehn Jahren über das Higgs-Boson. Doch das scheint ein Windei gewesen zu sein. Wann hat uns die Wissenschaft neue, verständliche Impulse gegeben, die wirklich substanziell sind? Es scheint, dass dieses Bedürfnis total mit wackeligen Raumgleitern von Elon Musk zugedeckelt wurde. Es gibt noch eine zweite Methode. Man nennt sie Enthüllungen. Wie wir an Objekt 2003 VB 12 beobachten konnten, sind das sogar „sensationelle Enthüllungen“. In letzter Zeit werden wir ständig mit sensationellen Enthüllungen bombardiert. Danach kommt die Stille.
Die Wissenschaft hat es verlernt, hinter den Horizont zu blicken. Und so ist es kein Wunder, dass sie irgendwann an die Wand fahren musste.
So – die Kinder gehen jetzt schlafen, also können wir offen reden. Welche Fortschritte hat unsere Beschreibung der Natur gemacht? Seit wie vielen Jahren knabbern wir an der dunklen Materie, der freien Energie, und noch immer wissen wir nicht, ob sie nach Paprika oder nach Sauerrahm schmeckt. Wie konstant sind unsere Naturkonstanten? Oder ändern sie sich vielleicht mit der Zeit … oder gar mit dem Ort?
Wir brauchen neue Wege in der Wissenschaft. Kurz gesagt – wir brauchen eine neue Physik. Wenn wir die haben, kommt alles weitere … vielleicht nicht von allein, aber zum Frühstückskaffee per E-Mail. Das haben mir vor einigen Jahren Stephen Hawking und Edward Witten so erklärt. Wenn einer eine neue Idee hat, dann denken die anderen Kollegen mit, und man kommuniziert darüber schon frühmorgens.

Mein Name ist Myon! (nicht Bond)

 

Das Myon ist so etwas wie der dicke Cousin des Elektrons. Sie wissen schon – ohne Elektronen kein Strom, kein Computer, kein Handy-Akku. Das Myon trägt wie das Elektron eine negative Elementarladung, und beide haben den gleichen Spin ½, können sich also wie klitzekleine Magnete benehmen. Nur ist das Myon etwa 200 Mal schwerer. Und wie immer, wenn jemand Übergewicht hat, lebt er nicht lange. Das Myon nur 2,2 Mikrosekunden.
Trifft kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre, so kommt es zu einer Reihe von Wechselwirkungen mit atmosphärischen Teilchen, bei denen die Primärteilchen der kosmischen Strahlung in mehreren Stufen in andere Teilchen zerfallen, die dann als „kosmischer Teilchenschauer“ niedergehen. Dabei entstehen Pionen, Myonen, Gamma-Strahlen, Elektronen, Positronen und verschiedene Arten von Neutrinos. Aus der Art und Zusammensetzung der Zerfallsprodukte können Wissenschaftler indirekt auf Art und Herkunft der Primärstrahlung zurückschließen. Eine direkte Beobachtung der kosmischen Strahlung ist nur vom Weltraum aus möglich.
Zur Zeit sind Myonen schwer im Trend. Es mehren sich die Anzeichen, dass verschiedene Formen der Materie und Energie – die die Physik noch nicht kennt – Einfluss auf diese kleinen subatomaren Satansbraten haben. Und diese unbekannten Materie- und Energieformen verändern auch Natur und Evolution des Universums, so wie wir es kennen.
Die bahnbrechenden Experimente mit Myonen, die erst kürzlich bekannt wurden, wurden am Fermilab in Chicago durchgeführt.

Wie immer hatten die Amerikaner auch diesmal wieder die Nase vorn, doch fairerweise muss man sagen, dass ihre neue „Entdeckung des Universums“ bereits im Jahre 1998 in Brookhaven ihren Anfang genommen hatte. Die Physiker untersuchten damals auch schon Myonen, führten Messungen von g-2 durch und verglichen die Resultate mit den Voraussagen des bekannten Standardmodells der Teilchenphysik.


Standardmodell der Teilchenphysik
Das Standardmodell der Teilchenphysik ist Grundlage unserer heutigen Kosmologie. Es umfasst sämtliche bis heute bekannten (natürlichen) Materiebausteine sowie die subatomaren Kräfte, durch die sie miteinander interagieren.

Die Umgebung beeinflusst das Verhalten von Elementarteilchen, auch von Myonen. Bei ihnen geht es vorrangig um das magnetische Moment. Das ist in allen Gleichungen charakterisiert durch einen Faktor, der g genannt wird. Nach der Gleichung von Paul Dirac aus dem Jahre 1928 (britischer Physiker, einer der Mitentdecker der Quantentheorie) sollte der g-Koeffizient eines mutterseeleneinsamen Myons gleich 2 sein. Daher der Name g-2 für die Myonen-Experimente, da g-2 gerade ein Maß für die Abweichung des magnetischen Moments vom Standardwert darstellt.
In Brookhaven erreichte man Werte von g, die nicht mit dem Standardmodell übereinstimmten. Damals lagen die im Myon-g-2-Experiment ermittelten Diskrepanzen in der Größenordnung von 3,7 Standardabweichungen. Das war eindeutig zu wenig, um als wirkliche Entdeckung zu gelten. Daran waren allerdings nicht die Myonen schuld, sondern die noch mangelhafte Präzision der Messverfahren.
Im Jahre 2001 wurde also in Brookhaven die Entdeckung der neuen Welt verschoben.

"g-2-Ring", Fermilab"g-2-Ring", FermilabIm Fermilab
Und jetzt machen wir einen Zeitsprung zum Fermilab und zum Jahre 2018. Beim Fermilab konnte man mit intensiveren Teilchenstromdichten der Myonen arbeiten. So konnte man das 20fache an Daten sammeln im Vergleich zu Brookhaven. Projektleiter war Dr. Chris Polly. Er gehört zu einer internationalen Gruppe von etwa 200 Wissenschaftlern aus 35 Instituten in sieben Ländern, die im Fermilab Experimente mit Myonen durchführt. Für das Myonen-g-2-Experiment musste eigens ein neuer Magnet mit 15 Metern Durchmesser installiert werden.
Man lenkte einen Strahl von ca. 8 Milliarden Myonen ins Innere des Speicherrings und ließ sie im Innern des Magnetfeldes mit nahezu Lichtgeschwindigkeit zirkulieren. Sie verhalten sich wie kleine, gleich ausgerichtete Stabmagneten, deren Bewegung allerdings ständig durch virtuelle Teilchen aus dem Vakuum gestört wird. Das veranlasst sie zu Taumelbewegungen (Präzession). Die Rate dieser Präzessionsbewegungen ist ein Maß für g-2.

2020 publizierte eine 170köpfige Expertengruppe, die sogenannte Myon-g-2-Initiative, einen neuen, allgemein akzeptierten Wert des theoretisch berechenbaren magnetischen Moments des Myon, der die Ergebnisse von Brookhaven bestätigte. Aida X. El-Khadra, Physikerin der Universität Illinois, erklärte, auf dieses Ergebnis habe man seit Langem gewartet.
Am Tage der Publikation der Ergebnisse des Experiments am Fermilab kam eine andere Gruppe, die eine andere Technik zur Berechnung des magnetischen Moments des Myon benutzt hatte, zu einem abweichenden Resultat. El-Khadra nannte diese Berechnungen „erstaunlich“. Die Physikerin war der Meinung, die neuen Berechnungen müssten erst noch von anderen Forschern bestätigt werden, um systematische Fehler zu eliminieren.
Auf seinem Flug durch ein externes Magnetfeld interagiert das Myon mit Quantenfluktuationen, durch die auf seinem Weg ständig Teilchenpaare quasi aus dem Nichts auftauchen und wieder verschwinden. Das führt zur sogenannten g-Anomalie. Diese Interaktionen verändern den g-Faktor um einen kleinen Wert – das sogenannte anomale magnetische Moment. Nach dem Standardmodell der Physik müsste diese Anomalie den Wert von a = 116.591.810(43)*10‑11 haben. Das Ergebnis der Messungen am Fermilab ermittelte das anomale magnetische Moment des Myons als a = 116.592.040(54)*10-11. Damit weicht der neue Messwert um 4,2 Standardabweichungen – 4,2 Sigma - von den Vorhersagen des Standardmodells ab.
Die entstandene Diskrepanz zur Theorie liegt nur knapp unter dem Wert, ab dem Physiker von einer „Entdeckung“ sprechen. In diesem Fall wäre dies eine klare Widerlegung des Standardmodells. Allerdings müsste Sigma dafür den Wert 5 erreichen, was einer Zufallswahrscheinlichkeit von weniger als 0,00003 % entspricht.

Übrigens:  Es ist nicht mein Beruf, Sie zu quälen. Nur ein kleiner Nebenverdienst. Vielleicht leben wir in einer Welt, die wir gar nicht kennen, weil wir bislang unbekannte Kräfte berücksichtigen müssten. Welche Wirkungen könnten sie denn haben? Sie existieren doch nicht nur, um ein Myon ins Taumeln zu bringen. 

Ein Quadrupol-Magnet führt ins Innere des Myon g-2 Partikelspeicherrings im MC-1 Building (Fermilab)Ein Quadrupol-Magnet führt ins Innere des Myon g-2 Partikelspeicherrings im MC-1 Building (Fermilab)Schummelbremse
Das Fermilab musste noch ein wichtiges Element berücksichtigen. Um Verfälschungen und gezielte Manipulationen beim Experiment zu eliminieren, haben die Experimentatoren die Methode der Verschleierung benutzt. In diesem Fall wurde die Hauptuhr, die die Schwankungen der Myonen beobachtet, auf eine dem Forscher unbekannte Frequenz eingestellt. Der Wert dieser Frequenz wurde in zwei Briefumschlägen versiegelt, einer im Büro von Joe Lykken, dem stellvertretenden Forschungsdirektor des Fermilab, der andere an der Washington Universität in Seattle. Die Öffnung des Umschlags beim Fermilab vollzogen Chris Polly und in Seattle David Hertzog. Auf einem Film sieht man, wie die Zahl eingegeben und damit zum Schlüssel für alle Daten wurde. Bis zu diesem Moment kannte keiner der Mitarbeiter die endgültigen Ergebnisse. Die Reaktion aller Beteiligten war das Erstaunen darüber, dass die Ergebnisse vom Fermilab die früheren Ergebnisse von Brookhaven bestätigten.

Myonen erlauben den Wissenschaftlern, das Innere von Pyramiden und Vulkanen zu untersuchen. Myonen erlauben den Wissenschaftlern, das Innere von Pyramiden und Vulkanen zu untersuchen. In der Praxis bedeutet das, dass wir eine Chance haben, das Standardmodell zu brechen. Die Myon-Anomalie wurde in wissenschaftlichen Kreisen mit großem Enthusiasmus, aber auch mit großer Vorsicht aufgenommen. „Ist das die neue Physik?“, fragte Sabine Hossenfelder vom Frankfurt Institute for Advanced Studies.

Die Konsequenzen: „Das ist ein unglaublich spannendes Ergebnis.“, sagt Ran Hong vom Argonne National Laboratory. Denn die neuen Messungen legen nahe, dass es eine Erklärungslücke im Standardmodell gibt.Offenbar interagiert das Myon auf seinem Flug durch das Magnetfeld nicht nur mit den erwarteten Quantenfluktuationen, sondern wird zusätzlich von einem unbekannten Faktor beeinflusst – möglicherweise von noch unbekannten Teilchen oder Kräften. Das ist ein starkes Indiz dafür, dass das Myon auf etwas reagiert, das in unserer bisher besten Theorie nicht enthalten ist. Man könnte vielleicht sogar verstehen, warum unser Kosmos sich schneller auszudehnen scheint als die kosmologischen Standardmodelle vermuten lassen. Berichte über neue Entdeckungen im Fermilab sind angekündigt.

Cookie-Regelung

Diese Website verwendet Cookies, zum Speichern von Informationen auf Ihrem Computer.

Stimmen Sie dem zu?