von Dominika Vasilkova, Ce Zhang, Elia Bottalico und Saskia Charity, Die Unterhaltung
Trotz seines enormen Erfolgs bei der Vorhersage der Existenz neuer Teilchen und Kräfte hat das Standardmodell der Teilchenphysikvor über 50 Jahren entwickelt, um die kleinsten Bausteine der Natur zu erklären, ist nicht die vollständige „Theorie von allem“, nach der sich Physiker gesehnt haben.
Die Theorie weist mehrere Probleme auf. Es beschreibt weder die Schwerkraft noch die unbekannten Komponenten, die den größten Teil der Energiedichte im Universum ausmachen: dunkle Materie und dunkle Energie. Teilchenphysiker sind daher auf Schatzsuche und suchen nach möglichen Abweichungen vom „erwarteten“ Verhalten, die auf neue Physik hinweisen könnten.
Jetzt arbeitet unser großes internationales Team von Physikern am Myon g-2-Experiment am Fermilab in den USA, hat eine Messung durchgeführt davon, wie ein bestimmtes Elementarteilchen wackelt, was massive Auswirkungen auf den Status des Standardmodells haben könnte.
Unser Ergebnis, das noch keinem Peer-Review unterzogen wurde wurde bestätigt Zu Briefe zur körperlichen Untersuchunguntermauert Ergebnisse aus dem Jahr 2021 und wirft Licht auf ein riesiges Rätsel der theoretischen Physik – eine mögliche Lösung könnten neue Teilchen oder Kräfte sein, die die Messung beeinflussen.
Ein grundlegender Baustein im Standardmodell ist das Myon, ein Teilchen, das einem Elektron ähnelt, aber 200-mal massereicher ist. Das Myon hat eine lange Geschichte der Revolutionierung der Teilchenphysik –Schon seine Entdeckung war ein Schock.
Unser Experiment untersucht, wie diese Teilchen mit einem Magnetfeld von 1,45 Tesla interagieren. Dadurch wackeln die Myonen wie Kreisel, wobei die Geschwindigkeit des Wackelns proportional zur Stärke des Feldes ist.
Das Experiment produziert und speichert Milliarden von Myonen in einem kreisförmigen Magneten mit 14 Metern Durchmesser, dem sogenannten Speicherring. Schließlich zerfallen Myonen in Elektronen, die von Detektoren im Inneren des Rings gezählt werden.
Eine weitere Eigenart der Natur besteht darin, dass die Anzahl der detektierten Elektronen proportional zur Geschwindigkeit des Wackelns variiert. Das Zählen der Elektronen sagt uns also, wie schnell die Myonen schwanken. Und je mehr Elektronen man zählt, desto genauer wird die Messung.
Die Wechselwirkung zwischen dem Wackeln des Myons und dem Feld wird durch eine dimensionslose Konstante namens „g“, das gyromagnetische Verhältnis, quantifiziert. Der Physiker Paul Dirac sagte seinen Wert mit g = 2 voraus. Doch laut Quantenmechanik ist die Theorie, die die subatomare Welt regelt und auf der das Standardmodell basiert, dass der leere Raum mit „virtuellen“ Teilchen gefüllt ist, die für einen flüchtigen Moment erscheinen und dann durch Vernichtung wieder verschwinden.
Diese Teilchen beeinflussen die Wechselwirkung des Myons mit dem Magnetfeld und erhöhen g auf etwas mehr als 2. Aus diesem Grund wird das Experiment, das diesen Unterschied untersucht, „g-2“ genannt. Alle fehlenden Teile im Standardmodell würden die Rate um einen etwas höheren oder niedrigeren Betrag als vorhergesagt verändern, was dies zu einem leistungsstarken Suchwerkzeug für neue Physik macht.
Eine Messung am Brookhaven National Laboratory in den USA sorgte für Aufsehen 2004 Nachdem wir festgestellt hatten, dass das Wackeln etwas schneller war als erwartet, deutete dies möglicherweise auf etwas Neues hin. Der Wert wurde im April 2021 erneut im Fermilab gemessen, was die ursprüngliche Messung bestätigte und die Lücke zwischen Experiment und Theorie vergrößerte.
Nun untersucht unser neues Ergebnis von Fermilab, das Daten aus den Jahren 2019 und 2020 verwendet, viermal so viele Myonen wie das Ergebnis von 2021 und reduziert die Gesamtunsicherheit um den Faktor zwei. Damit ist die Messung die genaueste Bestimmung des Wackelns des Myons, die jemals durchgeführt wurde.
Steigerung der Genauigkeit
In der Praxis ist das Experiment viel anspruchsvoller als nur das Zählen von Myonen. Während die statistische Unsicherheit verringert wurde, waren weitere Verbesserungen erforderlich, um die Messung noch präziser zu machen. Die Richtung des Magnetfelds bestimmt die Achse des Wackelns, daher war es entscheidend, die Temperaturschwankungen des Magneten unter Kontrolle zu halten.
Temperaturunterschiede führen außerdem dazu, dass sich die Magnetstücke ausdehnen und zusammenziehen, wodurch sich das Magnetfeld leicht verändert. Bei unserer Genauigkeit könnte bereits eine Änderung um einen Tausendstel Millimeter einen enormen Einfluss auf das Wackeln haben. Aus diesem Grund wurde rund um den Ring ein Thermomantel und in der Versuchshalle ein Kühlsystem installiert.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass Myonen im Ring nicht auf einer perfekt kreisförmigen Umlaufbahn bleiben wollen, sondern gerne umherschwimmen und alle Regionen des Rings erkunden. Deshalb haben wir die Hochspannungssysteme modernisiert, die den Strahl an die richtige Stelle schieben.
Konventionell schätzen Teilchenphysiker mithilfe eines statistischen Maßes namens Sigma ab, wie gut zwei Ergebnisse (z. B. ein theoretisches und ein experimentelles Ergebnis) übereinstimmen. Dies kann die Wahrscheinlichkeit abschätzen, dass es sich bei einem Unterschied um einen statistischen Zufall handelt. Diesmal ergibt das jedoch keinen Sinn, da immer unklarer wird, mit welcher Standardmodellvorhersage wir das Ergebnis vergleichen sollen.
Eine Zusammenarbeit von Theoretikern, genannt Myon g-2-Theorie-Initiative, berechneten ihren Wert im Jahr 2020. Das ist es, was im Jahr 2021 verwendet wurde, was ein Sigma von 4,2 ergibt, was darauf hindeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis ein Zufall war, bei eins zu 40.000 lag. Doch seitdem gab es Entwicklungen, die zu neuen Vorhersagen führten: die eine aus einem neuartigen Ansatz, die andere Gruppe von Theoretikern.
Es gab auch ein Update experimentelle Messung von dem CMD-3-Zusammenarbeit in Russland wird das in alle neuen Berechnungen einfließen. Diese könnten den Wert für 2020 verändern und ihn möglicherweise näher an das Standardmodell heranführen.
Es ist offensichtlich, dass es auf beiden Seiten der Geschichte große Herausforderungen gibt, bei denen die Theorie nicht einmal mit der Theorie übereinstimmt. Unsere Zusammenarbeit arbeitet nun an unserem endgültigen experimentellen Ergebnis, das im Jahr 2025 erwartet wird, und verwendet dabei den gesamten Datensatz – mehr als doppelt so viele Daten. Doch solange die Theoriekontroverse nicht geklärt ist, wird jede Interpretation der Diskrepanz mit einer Wolke des Zweifels behaftet sein.
Es gibt zwei mögliche Ergebnisse. Möglicherweise stimmen Theorie und Experiment irgendwann nicht mehr überein, was darauf hindeutet, dass sich hier schon immer neue Teilchen oder Kräfte der Natur versteckt haben. Dies könnte dazu führen, dass das Standardmodell letztendlich scheitert und ein Update erforderlich wird. Oder die aktualisierten Vorhersagen schließen die Lücke, was einen massiven Aufschwung für das Standardmodell bedeuten würde.
So oder so bereitet unsere hochpräzise Messung die Bühne für den finalen Showdown.
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