Physikern steht nun eine brandneue Messung einer Eigenschaft des Myons namens anomales magnetisches Moment zur Verfügung, die die Genauigkeit ihres vorherigen Ergebnisses um den Faktor 2 verbessert.
Eine internationale Zusammenarbeit von Wissenschaftlern, die am Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums am Muon g-2-Experiment arbeiten angekündigt die mit Spannung erwartete aktualisierte Messung am 10. August. Dieser neue Wert untermauert das erste Ergebnis, das sie im April 2021 bekannt gegeben haben, und löst einen Showdown zwischen Theorie und Experiment aus, an dem über 20 Jahre gearbeitet wurde.
„Wir erkunden wirklich Neuland. Wir bestimmen das magnetische Moment des Myons mit einer höheren Präzision als je zuvor“, sagte Brendan Casey, ein leitender Wissenschaftler am Fermilab, der seitdem am Muon-g-2-Experiment gearbeitet hat 2008.
Physiker beschreiben mit einer Theorie, die als Standardmodell bekannt ist, wie das Universum auf seiner grundlegendsten Ebene funktioniert. Durch Vorhersagen auf der Grundlage des Standardmodells und deren Vergleich mit experimentellen Ergebnissen können Physiker erkennen, ob die Theorie vollständig ist – oder ob es Physik jenseits des Standardmodells gibt.
Myonen sind Elementarteilchen, die Elektronen ähneln, aber etwa 200-mal so massereich sind. Myonen verfügen wie Elektronen über einen winzigen inneren Magneten, der in Gegenwart eines Magnetfelds wie die Achse eines Kreisels präzediert oder wackelt. Die Präzessionsgeschwindigkeit in einem bestimmten Magnetfeld hängt vom magnetischen Moment des Myons ab, das normalerweise durch den Buchstaben dargestellt wird G; Auf der einfachsten Ebene sagt die Theorie das voraus G sollte gleich 2 sein.
Der Unterschied von G von 2 – oder G minus 2 – kann auf die Wechselwirkungen des Myons mit Teilchen in einem Quantenschaum zurückgeführt werden, der es umgibt. Diese Teilchen blinken ein und aus und greifen wie subatomare „Tanzpartner“ nach der „Hand“ des Myons und verändern die Art und Weise, wie das Myon mit dem Magnetfeld interagiert. Das Standardmodell bezieht alle bekannten „Tanzpartner“-Partikel ein und sagt voraus, wie sich der Quantenschaum verändert G.
Aber es könnte noch mehr sein. Physiker sind begeistert von der möglichen Existenz noch unentdeckter Teilchen, die zum Wert von beitragen G-2 – und würde das Fenster zur Erforschung neuer Physik öffnen.
Das neue experimentelle Ergebnis, das auf den Daten der ersten drei Jahre basiert und von der Muon g-2-Kollaboration bekannt gegeben wurde, lautet:
G-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (stat.) +/- 0,00000000019 (syst.)
Die Messung von G-2 entspricht einer Genauigkeit von 0,20 Teilen pro Million. Die Muon g-2-Kollaboration beschreibt das Ergebnis in einem Papier, das sie heute eingereicht hat Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Dieses siebenminütige Video bietet zusätzliche Informationen über Myonen und das neue Ergebnis der Muon g-2-Kollaboration.
Mit dieser Messung hat die Zusammenarbeit bereits ihr Ziel erreicht, eine bestimmte Art von Unsicherheit zu verringern: die durch experimentelle Unvollkommenheiten verursachte Unsicherheit, die als systematische Unsicherheiten bezeichnet wird.
„Diese Messung ist eine unglaubliche experimentelle Leistung“, sagte Peter Winter, Co-Sprecher der Muon g-2-Kollaboration. „Die systematische Unsicherheit auf dieses Niveau zu senken, ist eine große Sache und etwas, mit dem wir nicht so schnell gerechnet haben.“
Während die gesamte systematische Unsicherheit das Entwurfsziel bereits überschritten hat, wird der größere Aspekt der Unsicherheit – die statistische Unsicherheit – von der Menge der analysierten Daten bestimmt. Das heute bekannt gegebene Ergebnis ergänzt das erste Ergebnis um weitere Daten aus zwei Jahren. Das Fermilab-Experiment wird seine ultimative statistische Unsicherheit erreichen, sobald die Wissenschaftler die Daten aller sechs Jahre in ihre Analyse einbeziehen, was die Zusammenarbeit in den nächsten Jahren abschließen will.
Um die Messung durchzuführen, schickte die Muon g-2-Kollaboration wiederholt einen Myonenstrahl in einen supraleitenden magnetischen Speicherring mit einem Durchmesser von 50 Fuß, wo sie etwa 1.000 Mal mit nahezu Lichtgeschwindigkeit kreisten. Mithilfe von Detektoren entlang des Rings konnten Wissenschaftler bestimmen, wie schnell die Myonen präzedierten. Außerdem müssen Physiker die Stärke des Magnetfelds genau messen, um dann den Wert von g-2 zu bestimmen.
Beim Fermilab-Experiment wurde ein Speicherring wiederverwendet, der ursprünglich für das Vorgängerexperiment Muon g-2 am Brookhaven National Laboratory des DOE gebaut wurde, das 2001 abgeschlossen wurde. Im Jahr 2013 transportierte die Zusammenarbeit den Speicherring 3.200 Meilen von Long Island, New York, nach Batavia, Illinois.
In den nächsten vier Jahren baute die Zusammenarbeit das Experiment mit verbesserten Techniken, Instrumenten und Simulationen auf. Das Hauptziel des Fermilab-Experiments besteht darin, die Unsicherheit zu verringern G-2 um den Faktor vier im Vergleich zum Brookhaven-Ergebnis.
„Unsere neue Messung ist sehr aufregend, weil sie weit über die Empfindlichkeit von Brookhaven hinausgeht“, sagte Graziano Venanzoni, Professor an der Universität Liverpool, die dem italienischen Nationalen Institut für Kernphysik in Pisa angegliedert ist, und Co-Sprecher des Muon g-2-Experiments bei Fermilab.
Zusätzlich zum größeren Datensatz ist dies die neueste G-2-Messung wird durch Aktualisierungen des Fermilab-Experiments selbst verbessert. „Wir haben zwischen unserem ersten Jahr der Datenerfassung und unserem zweiten und dritten Jahr viele Dinge verbessert“, sagte Casey, der kürzlich seine Amtszeit als Co-Sprecher von Venanzoni beendet hat. „Wir haben das Experiment ständig verbessert.“
Das Experiment lief in den letzten drei Jahren der Datenerfassung, die am 9. Juli 2023 endete, „wirklich auf Hochtouren“. Zu diesem Zeitpunkt schaltete die Zusammenarbeit den Myonenstrahl ab und schloss das Experiment nach sechs Jahren Datenerfassung ab . Sie erreichten das Ziel, einen Datensatz zu sammeln, der mehr als 21-mal so groß ist wie der Datensatz von Brookhaven.
Physiker können die Auswirkungen der bekannten „Tanzpartner“ des Standardmodells auf Myonen berechnen G-2 zu unglaublicher Präzision. Die Berechnungen berücksichtigen die elektromagnetischen, schwachen und starken Kernkräfte, darunter Photonen, Elektronen, Quarks, Gluonen, Neutrinos, W- und Z-Bosonen sowie das Higgs-Boson. Wenn das Standardmodell korrekt ist, sollte diese ultrapräzise Vorhersage mit der experimentellen Messung übereinstimmen.
Berechnung der Standardmodellvorhersage für Myonen G-2 ist sehr anspruchsvoll. Im Jahr 2020 kündigte die Muon g-2 Theory Initiative die damals beste Standardmodellvorhersage für Myon g-2 an. Doch eine neue experimentelle Messung der Daten, die in die Vorhersage einfließen, und eine neue Berechnung, die auf einem anderen theoretischen Ansatz – der Gittereichtheorie – basiert, stehen im Widerspruch zur Berechnung für 2020. Wissenschaftler der Muon g-2 Theory Initiative wollen in den nächsten Jahren eine neue, verbesserte Vorhersage zur Verfügung stellen, die beide theoretischen Ansätze berücksichtigt.
Die Muon g-2 Zusammenarbeit umfasst knapp 200 Wissenschaftler aus 34 Institutionen in sieben Ländern und umfasst bisher fast 40 Studierende, die auf der Grundlage ihrer Arbeit am Experiment promoviert haben. Die Mitarbeiter werden nun die nächsten Jahre damit verbringen, die Daten der letzten drei Jahre zu analysieren. „Wir erwarten, dass wir im Ziel noch einmal um den Faktor zwei an Präzision gewinnen“, sagte Venanzoni.
Die Zusammenarbeit geht davon aus, dass sie ihre endgültige und genaueste Messung des magnetischen Moments des Myons im Jahr 2025 veröffentlichen wird – und damit den ultimativen Showdown zwischen Theorie und Experiment des Standardmodells herbeiführen wird. Bis dahin verfügen die Physiker über eine neue und verbesserte Messung von Myonen G-2, das ist ein bedeutender Schritt in Richtung seines endgültigen physikalischen Ziels.
Mehr Informationen:
Messung des anomalen magnetischen Moments des positiven Myons auf 0,20 ppm, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2023).