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Myon: Doch kein Indiz für neue Physik
Keine Diskrepanz mehr: Einer der vielversprechendsten Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells ist entkräftet. Denn das Myon verhält sich in externen Magnetfeldern doch genau so, wie es das Standardmodell vorhersagt. Das verrät eine Neuberechnung seines anomalen magnetischen Moments. Sie beseitigt die bisherigen Diskrepanzen zwischen Messwerten und theoretischen Vorhersagen – und bestätigt damit das Standardmodell bis auf die elfte Dezimalstelle genau, wie Physiker in „Nature“ berichten.
Schon seit Jahrzehnten rätseln Physiker über Diskrepanzen bei einer fundamentalen Größe des Myons: dem anomalen magnetischen Moment (aµ) dieses schweren „Bruders“ des Elektrons. Diese Größe beschreibt, wie stark sich der magnetische Spin des Myons durch externe Magnetfelder auslenken lässt. Theoretisch ergibt sich dieser Wert aus Ladung, Masse und Spin des Teilchens und zusätzlich durch den Einfluss der Quantenfluktuation. Sie verändert den g-Faktor um einen geringen Wert – das sogenannte anomale magnetische Moment.
Dem Standardmodell zufolge müsste das magnetische Moment des Myons um etwa 0,1 Prozent von 2 abweichen – sofern die Theorien stimmen und vollständig sind. Doch die in Experimenten gemessenen Werte für aµ weichen signifikant von dieser theoretischen Vorhersage ab. Das weckte den Verdacht, dass sich hinter diesen Diskrepanzen „neue Physik“ verbergen könnte: bisher unerkannte Kräfte oder Teilchen, die auf das Myon einwirken.
Allerdings blieb unklar, ob der Fehler nicht doch beim theoretischen Wert liegt. Denn das anomale magnetische Moment hängt entscheidend von der starken Kernkraft ab – und ihr Einfluss ist schwer zu berechnen. „Beim Berechnen von aµ stammen die Unsicherheiten nahezu ausschließlich von der starken Wechselwirkung, die im Standardmodell durch die Quantenchromodynamik beschrieben wird“, erklären Zoltan Fodor von der Universität Wuppertal und seine Kollegen.
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Deshalb hat das Physikerteam jetzt einen wichtigen Parameter für das magnetische Moment des Myons noch einmal neu berechnet. „Wir nutzen dafür einen hybriden Ansatz: Er kombiniert die Stärken von experimentellen Daten mit denen der Gittereichtheorie in verschiedenen Energiebereichen“, erklären die Physiker. Die Gittereichtheorie teilt die Raumzeit in Zellen mit minimalen Abständen und löst dann darin die Gleichungen des Standardmodells. Das Team nutzte für ihre Neuberechnung ein feineres Gitter als zuvor möglich und präzisierten auch einige andere Einflussfaktoren.
Nach mehr als zehn Jahren der Datenanalysen und Berechnungen mithilfe von Supercomputern liegt nun das Ergebnis vor. Es repräsentiert den bislang genauesten Wert für diese sogenannte Vakuum-Polarisation des Myons. Wird dieser Parameter in die Berechnung des anomalen magnetischen Moments eingefügt, ergibt sich daraus der bisher präziseste Wert für diese Größe. „Durch diese Reduktion der Unsicherheiten können wir nun Theorie und Experiment mit beispielloser Präzision vergleichen – und so das Standardmodell bis auf elf Dezimalstellen überprüfen“, sagt Koautor Finn Stokes von der Adelaide University.