Anomales magnetisches Moment des Myons – ein neues Rätsel kommt ans Licht

Das anomale magnetische Moment des Myons ist ein entscheidender Parameter in der Teilchenphysik, da es Präzisionstests des etablierten Standardmodells ermöglicht. Eine erneute Messung dieser Größe im vergangenen Jahr sorgte für Aufsehen, da sie erneut eine deutliche Abweichung von der theoretischen Vorhersage bestätigte – mit anderen Worten, das anomale magnetische Moment ist größer als erwartet.

Physiker berechnen die theoretische Vorhersage auf Basis des aktuell gültigen Standardmodells der Teilchenphysik. 2020 hat die Muon g-2 Theory Initiative – eine Gruppe von 130 Physikern mit starker Mainzer Beteiligung – eine konsensuale Schätzung erstellt, die seitdem als Referenzwert akzeptiert wird. Seitdem haben mehrere Teams – darunter das von Prof. Hartmut Wittig vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) – neue Ergebnisse zum Beitrag der starken Wechselwirkung unter Verwendung numerischer Simulationen der Gitter-QCD veröffentlicht, die darauf hindeuten, dass die Die theoretische Vorhersage bewegt sich in Richtung des experimentellen Werts.

„Auch wenn sich herausstellen sollte, dass die Abweichung zwischen theoretischen und experimentellen Ergebnissen tatsächlich kleiner ist, als wir dachten, wäre dies immer noch eine große Abweichung“, erklärt Hartmut Wittig. „Trotzdem müssen wir zunächst verstehen, warum die Verwendung unterschiedlicher theoretischer Methoden zu so unterschiedlichen Ergebnissen führt.“

Ein neues Mysterium, das eine Lösung erfordert

Das anomale magnetische Moment erhält Beiträge von allen fundamentalen Wechselwirkungen außer der Schwerkraft. Von besonderer Bedeutung für die Überprüfung des Standardmodells ist die starke Wechselwirkung bzw. starke Kernkraft, die zwischen den als Quarks bezeichneten Elementarteilchen der Materie wirkt und durch den Austausch von Gluonen vermittelt wird.

Jüngste Berechnungen konzentrierten sich auf den Beitrag der sogenannten hadronischen Vakuumpolarisation (HVP) zum magnetischen Moment des Myons, bei dem Quark-Antiquark-Paare kontinuierlich für den Bruchteil einer Sekunde aus einem Vakuum erzeugt werden, bevor sie wieder verschwinden.

„Dies ist ein äußerst komplexer Prozess, und die Unsicherheit der theoretischen Vorhersage wird daher maßgeblich von den Auswirkungen der starken Wechselwirkung bestimmt“, fügt Wittig hinzu. Da die Standard-Rechentechniken in diesem Zusammenhang entweder nicht eingesetzt werden können oder bisher nicht präzise genug waren, wurde im aktuellen Konsensuspapier der HVP-Beitrag anhand von experimentellen Daten an verschiedenen Teilchenbeschleunigern ermittelt.

Es wäre ideal, wenn der HVP-Beitrag berechnet werden könnte, ohne sich auf experimentelle Daten zu verlassen, allein unter Verwendung von Quantenchromodynamik (QCD). QCD ist die grundlegende Theorie der starken Wechselwirkung zwischen Quarks, vermittelt durch Gluonen. QCD ist jedoch eine äußerst schwierige Theorie, die in der Praxis zu handhaben ist. Dazu nutzt das Mainzer Team eine Technik, die als Gitterfeldtheorie bekannt ist.

Hier sind die Quarks und Gluonen über ein diskretes Gitter von Punkten verteilt, die die Raumzeit darstellen, ganz ähnlich wie Atome in einem Kristall. Mit Hilfe von Supercomputern lässt sich dann der HVP-Beitrag zum anomalen magnetischen Moment des Myons bestimmen.

„Die enormen technischen Herausforderungen einer solchen Berechnung machten es bis vor wenigen Jahren unmöglich, den HVP-Beitrag mit der Gitter-QCD mit der notwendigen Genauigkeit zu bestimmen. Inzwischen haben wir die Methode so verfeinert, dass die Genauigkeit unseres Ergebnisses dieser entspricht des traditionellen Ansatzes, der auf experimentelle Daten zurückgreift“, betont Wittig.

In dem jetzt auf dem Preprint-Server arXiv verfügbaren Paper stellen Wittig und sein Team die Berechnungsergebnisse eines Anteils von HVP vor, der sich besonders eignet, um die Konsistenz der Ergebnisse verschiedener Gitterberechnungen zu testen und diese mit den Schätzungen auf Basis der traditionellen zu vergleichen Methode. „Da unser Ergebnis genauso präzise ist, könnte man sagen, dass die Gitter-QCD-Berechnung ihre Feuertaufe bestanden hat, was an sich schon ein riesiger Erfolg ist. Außerdem wird immer deutlicher, dass unsere QCD-basierten Berechnungen tatsächlich mit den neu vorgestellten übereinstimmen.“ Ergebnisse anderer Mannschaften.“

Wittig richtet seine Aufmerksamkeit nun wieder auf das magnetische Moment des Myons: „Unsere neuen Gitterrechnungen machen deutlicher, dass sich der theoretische Vorhersagewert dem gemessenen Ergebnis nähern dürfte. Das hat bei meinen Kollegen für einige Aufregung gesorgt.“ Wir konzentrieren uns nun auf das Problem, warum verschiedene Methoden zur Bewertung des HVP-Beitrags zu unterschiedlichen Ergebnissen führen sollten, und diejenigen unserer Kollegen, die möglicherweise enttäuscht sind, dass die Diskrepanz zum Standardmodell schrumpft, können sich mit der Tatsache trösten, dass unser neues Berechnung hat die Abweichung zwischen Theorie und Experiment nicht ganz verschwinden lassen. Wie man es auch betrachtet, es besteht kein Zweifel, dass es eine Diskrepanz gibt, die erklärt werden muss. Es gibt noch viel, was wir verstehen müssen.“