Die Muon g-2-Kollaboration hat ihre mit Spannung erwartete aktualisierte Messung angekündigt. Das neue Ergebnis stimmt mit dem ersten Ergebnis der Zusammenarbeit überein, das 2021 bekannt gegeben wurde – und ist doppelt so präzise. Tatsächlich ist es die genaueste Messung, die jemals mit einem Teilchenbeschleuniger durchgeführt wurde.
Die Zusammenarbeit besteht aus 181 Wissenschaftlern aus sieben Ländern und 33 Institutionen, darunter dem Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE). Das Experiment findet im Fermi National Accelerator Laboratory des DOE statt und zielt darauf ab, eine magnetische Eigenschaft des Myons zu messen, eines fundamentalen Teilchens, dessen Verhalten auf die Existenz neuer Teilchen oder Kräfte hinweisen könnte.
Weitere Argonne-Wissenschaftler am Muon g-2-Experiment sind die Postdoktoranden Yongyi Wu und Sam Grant, die die Präzision bei der Bestimmung des Magnetfelds für die verbleibenden Datensätze maximieren werden. Die Zusammenarbeit beschreibt das Ergebnis in einem Papier, das sie eingereicht haben Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Myonen haben eine quantenmechanische Eigenschaft namens Spin, die dazu führt, dass sie wie ein winziger Magnet wirken. Wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird, präzediert der innere Magnet des Myons, ähnlich wie das Wackeln eines Kreisels. Die Geschwindigkeit dieses Wackelns wird durch eine Größe bestimmt, die als magnetisches Moment bekannt ist und von Wissenschaftlern mit dem Buchstaben „g“ dargestellt wird.
In den frühen 2000er Jahren maß ein Experiment am Brookhaven National Laboratory des DOE das magnetische Moment des Myons und stellte eine Diskrepanz zwischen dem experimentellen Ergebnis und den Vorhersagen des Standardmodells fest, dem aktuellen Verständnis der Wissenschaftler über die Teilchen und Kräfte im Universum. Das Fermilab Muon g-2-Experiment ist eine Nachbildung des Brookhaven-Experiments und wurde entwickelt, um die Diskrepanz mit vierfacher Präzision herauszufordern oder zu bestätigen.
„Mit diesem zweiten Ergebnis haben wir die Präzision gegenüber dem Brookhaven-Experiment und unserem ersten Ergebnis um etwas mehr als den Faktor zwei verbessert“, sagte der Argonne-Physiker Peter Winter, Co-Sprecher der Muon g-2-Kollaboration. „Wir sind auf dem besten Weg, die ultimative Präzision bis zum Ende unserer Analyse um den Faktor vier zu verbessern.“
Während des Experiments wandert ein Myonenstrahl unter dem Einfluss eines starken Magnetfelds hunderte bis tausende Male um einen großen, hohlen Ring. Während die Myonen den Ring nahezu mit Lichtgeschwindigkeit umkreisen, bewirkt das Magnetfeld, dass ihre Spins präzedieren, und eine Flut sogenannter virtueller Teilchen beeinflusst diese Präzession. Die Wissenschaftler bestimmen „g“, indem sie die Spinpräzessionen der Myonen erfassen und die magnetische Feldstärke im Ring äußerst genau messen.
Auf der einfachsten Ebene sagt die Theorie voraus, dass „g“ zwei ist. Aber subtile Einflüsse durch das Auftauchen und Verschwinden virtueller Teilchen können die Spinpräzession des Myons beeinflussen und dazu führen, dass sein wahres „g“ etwas größer als zwei ist. Die Zusammenarbeit misst diesen Unterschied, daher der Name Muon g-2 (ausgesprochen Muon g minus zwei).
„Jedes existierende Teilchen spielt eine Rolle dabei, wie sich ein Myon in einem Magnetfeld verhält“, sagte der stellvertretende Physiker Yuri Oksuzian von Argonne, Produktionsleiter der Muon g-2-Kollaboration. „Anstatt zu versuchen, diese virtuellen Teilchen direkt zu beobachten, messen wir ihre Auswirkungen auf das Verhalten des Myons.“
Das neue experimentelle Ergebnis für g-2 ist 0,00233184110. Die Messung untermauert das im Jahr 2021 angekündigte Ergebnis mit einer beispiellosen Präzision von insgesamt 0,20 Teilen pro Million. Es umfasst Daten aus den ersten drei von sechs Jahren des Experiments.
Zwei Arten von Unsicherheit beeinflussen die Gesamtgenauigkeit der Messung. Die statistische Unsicherheit hängt von der Menge der analysierten Daten ab; Je mehr Daten vorhanden sind, desto sicherer sind sich die Wissenschaftler ihres Ergebnisses. Die statistische Unsicherheit betrug +/- 0,00000000043. Da weniger als die Hälfte der gesamten Daten analysiert wurden, ist das Team bereits auf halbem Weg, sein ultimatives statistisches Unsicherheitsziel zu erreichen.
„Wir haben einen riesigen Datensatz gesammelt – mehr als 21-mal so groß wie der Datensatz von Brookhaven“, sagte Oksuzian, der die Bemühungen zur Verarbeitung und Vorbereitung der großen Datenmenge für die Analyse leitet. Ziel der Zusammenarbeit ist es, die Daten aller sechs Jahre innerhalb der nächsten Jahre zu integrieren.
Der andere Faktor, die systematische Unsicherheit, basiert auf experimentellen Unvollkommenheiten, an deren Minimierung die Muon g-2-Wissenschaftler in den letzten Jahren fleißig gearbeitet haben. Diese Unsicherheit betrug +/- 0,00000000019.
„Wir tun alles, was wir können, um das Beste aus diesen Messungen herauszuholen“, sagte der stellvertretende Physiker Simon Corrodi von Argonne, der die Analyse als Feldanalysekoordinator und Betriebsleiter für Muon g-2 leitete. „Jetzt haben wir eine systematische Gesamtunsicherheit von 70 Teilen pro Milliarde erreicht und übertreffen damit unser Endziel von weniger als 100 Teilen pro Milliarde bei weitem.“ Corrodi wird nun als Analysekoordinator für die verbleibenden großen Datensätze fungieren.
Einer der wichtigsten Beiträge der Argonne-Wissenschaftler war die präzise Messung der magnetischen Feldstärke um den Ring herum. Obwohl sich die Myonen durch ein beeindruckend konstantes Magnetfeld bewegen, verursachen Änderungen der Umgebungstemperatur und Effekte der Experimentierhardware leichte Schwankungen im Feld. Um diese Schwankungen zu messen, montierten die Wissenschaftler Hunderte von Sonden an den Ringwänden. Außerdem schickten sie alle paar Tage einen Wagen voller Sonden um den Ring.
Um sicherzustellen, dass die Sonden genaue Messwerte liefern, kalibrieren die Wissenschaftler sie mithilfe einer Magnettestanlage in Argonne. Die Anlage ermöglichte es den Wissenschaftlern, Feldmessungen mit einer Genauigkeit von nur wenigen Teilen pro Milliarde durchzuführen – so wie die Messung des Wasservolumens in einem Schwimmbad bis auf den Tropfen genau.
In den nächsten Jahren wird eine Zusammenarbeit theoretischer und experimenteller Physiker, bekannt als Muon g-2 Theory Initiative, hart daran arbeiten, die Spannung zwischen zwei Methoden zur Berechnung der Standardmodellvorhersage von g-2 zu lösen. Im Jahr 2020 kündigte die Initiative die damals beste Standardmodellvorhersage für g-2 an. Eine neue Berechnung, die auf einem anderen theoretischen Ansatz – der Gittereichtheorie – basiert, stimmt jedoch nicht mit der Berechnung von 2020 überein.
„Unsere präzise Messung ist jetzt noch wichtiger, da wir versuchen, die theoretische Diskrepanz zu verstehen“, sagte Corrodi. „Es ist ein schönes Beispiel für den Dialog zwischen Theorie und Experiment.“