Die Vorhersage des numerischen Werts des magnetischen Moments des Myons ist eine der anspruchsvollsten Berechnungen in der Hochenergiephysik. Einige Physiker verbringen den Großteil ihrer Karriere damit, die Berechnungen genauer zu machen.
Warum kümmern sich Physiker um die magnetischen Eigenschaften dieses Teilchens? Denn die Informationen jedes Teilchens und jeder Kraft sind im Zahlenwert des magnetischen Moments des Myons kodiert. Wenn wir diese Zahl mit höchster Präzision messen und vorhersagen können, können wir testen, ob das Standardmodell der Elementarteilchen vollständig ist.
Myonen sind identisch mit Elektronen, nur dass sie etwa 200-mal massereicher sind, nicht stabil sind und nach kurzer Zeit in Elektronen und Neutrinos zerfallen. Auf der einfachsten Ebene sagt die Theorie voraus, dass das magnetische Moment des Myons, das typischerweise durch den Buchstaben g dargestellt wird, gleich 2 sein sollte. Jede Abweichung von 2 kann auf Quantenbeiträge aus der Wechselwirkung des Myons mit anderen – bekannten und unbekannten – Teilchen und Kräften zurückgeführt werden. Daher konzentrieren sich Wissenschaftler auf die Vorhersage und Messung von g-2.
Es liegen bereits mehrere Messungen von Myon g-2 vor. Wissenschaftler, die am Muon g-2-Experiment im Fermi National Accelerator Laboratory des US-Energieministeriums arbeiten, gehen davon aus, noch in diesem Jahr das Ergebnis der präzisesten Messung des magnetischen Moments des Myons bekannt zu geben, die jemals durchgeführt wurde.
Gleichzeitig arbeiten zahlreiche Wissenschaftler daran, die Vorhersage des Wertes von Myon g-2 durch das Standardmodell zu verbessern. In diese Berechnung fließen mehrere Teile ein, die sich auf die elektromagnetische Kraft, die schwache Kernkraft und die starke Kernkraft beziehen.
Der Beitrag elektromagnetischer Teilchen wie Photonen und Elektronen gilt als die genaueste Berechnung der Welt. Der Beitrag schwach wechselwirkender Teilchen wie Neutrinos, W- und Z-Bosonen und des Higgs-Bosons ist ebenfalls bekannt. Der anspruchsvollste Teil der Myon-g-2-Vorhersage ergibt sich aus dem Beitrag stark wechselwirkender Teilchen wie Quarks und Gluonen; Die Gleichungen, die ihren Beitrag bestimmen, sind sehr komplex.
Obwohl die Beiträge von Quarks und Gluonen so komplex sind, sind sie im Prinzip berechenbar und es wurden verschiedene Ansätze entwickelt. Einer dieser Ansätze bewertet die Beiträge anhand experimenteller Daten im Zusammenhang mit der stark wechselwirkenden Kernkraft. Wenn Elektronen und Positronen kollidieren, vernichten sie sich und können Teilchen aus Quarks und Gluonen wie Pionen erzeugen. Die Messung, wie oft Pionen bei diesen Kollisionen erzeugt werden, ist genau die Daten, die benötigt werden, um den starken nuklearen Beitrag zum Myon g-2 vorherzusagen.
Seit mehreren Jahrzehnten messen Experimente an Elektron-Positron-Beschleunigern auf der ganzen Welt die Beiträge von Quarks und Gluonen, darunter Experimente in den USA, Italien, Russland, China und Japan. Die Ergebnisse all dieser Experimente wurden von einer Zusammenarbeit experimenteller und theoretischer Physiker, bekannt als Muon g-2 Theory Initiative, zusammengestellt. Im Jahr 2020 gab diese Gruppe die Besten bekannt Zu diesem Zeitpunkt verfügbare Standardmodellvorhersage für Myon g-2.
Zehn Monate später stellte die Muon g-2-Kollaboration bei Fermilab das vor Ergebnis ihrer ersten Messung. Der Vergleich der beiden zeigte eine große Diskrepanz zwischen dem experimentellen Ergebnis und der Vorhersage des Standardmodells. Mit anderen Worten: Der Vergleich der Messung mit dem Standardmodell lieferte starke Beweise dafür, dass das Standardmodell nicht vollständig ist und Myonen mit noch unentdeckten Teilchen oder Kräften interagieren könnten.
Ein zweiter Ansatz verwendet Supercomputer, um die komplexen Gleichungen für die Quark- und Gluon-Wechselwirkungen mit einem numerischen Ansatz namens Gittereichtheorie zu berechnen. Während dies eine gut erprobte Methode zur Berechnung der Auswirkungen der starken Kraft ist, steht erst seit kurzem Rechenleistung zur Verfügung, um die Berechnungen für Myon g-2 mit der erforderlichen Präzision durchzuführen. Infolgedessen waren die vor 2021 veröffentlichten Gitterberechnungen nicht präzise genug, um das Standardmodell zu testen. Jedoch, eine Berechnung, die 2021 von einer Wissenschaftlergruppe veröffentlicht wurde, der Budapest-Marseille-Wuppertal-Kollaboration, sorgte für eine große Überraschung. Ihre Vorhersage mithilfe der Gittereichtheorie war weit von der Vorhersage mithilfe von Elektron-Positron-Daten entfernt.
In den letzten Monaten ist die Landschaft der Vorhersagen für den starken Kraftbeitrag zum Myon g-2 nur noch komplexer geworden. Eine neue Runde von Elektron-Positron-Daten ist aus der Zusammenarbeit von SND und CMD3 hervorgegangen. Hierbei handelt es sich um zwei Experimente zur Datenerfassung am Elektron-Positron-Kollider VEPP-2000 in Nowosibirsk, Russland. Ein Ergebnis der SND-Kollaboration stimmt mit den vorherigen Elektron-Positron-Daten überein, während ein Ergebnis der CMD3-Kollaboration nicht mit den vorherigen Daten übereinstimmt.
Was ist los? Obwohl es keine einfache Antwort gibt, gibt es konzertierte Bemühungen aller beteiligten Gemeinschaften, die Vorhersage des Standardmodells besser zu quantifizieren. Die Community der Lattice Gauge Theory arbeitet rund um die Uhr daran, die Vorhersage der BMW-Kollaboration in unabhängigen Gitterberechnungen mit verbesserter Präzision und verschiedenen Methoden zu testen und zu hinterfragen. Die Gemeinschaft der Elektron-Positron-Beschleuniger arbeitet daran, mögliche Gründe für die Unterschiede zwischen dem CMD3-Ergebnis und allen früheren Messungen zu identifizieren. Noch wichtiger ist, dass die Community gerade dabei ist, diese experimentellen Messungen mit viel größeren Datensätzen zu wiederholen. Wissenschaftler führen außerdem neue unabhängige Techniken ein, um den Beitrag starker Kräfte zu verstehen, beispielsweise ein neues am CERN vorgeschlagenes Experiment namens MUonE.
Was bedeutet das für Myon g-2? Die Fermilab Muon g-2-Kollaboration wird ihr nächstes Ergebnis, das auf Daten aus den Jahren 2019 und 2020 basiert, später in diesem Jahr veröffentlichen. Aufgrund der großen Menge zusätzlicher Daten, die in die neue Analyse einfließen, erwartet die Muon g-2-Kollaboration, dass ihr Ergebnis doppelt so präzise ist wie das erste Ergebnis ihres Experiments. Aber die derzeitige Unsicherheit hinsichtlich des vorhergesagten Werts macht es schwierig, das neue Ergebnis zu nutzen, um unseren vorherigen Hinweis zu untermauern, dass das Standardmodell unvollständig ist und dass neue Teilchen und Kräfte das Myon g-2 beeinflussen.
Was kommt als nächstes? Das Fermilab Muon g-2-Experiment schloss die Datenerfassung in diesem Frühjahr ab. Die Analyse des gesamten Datensatzes wird noch einige Jahre dauern, und das endgültige Ergebnis des Experiments wird voraussichtlich im Jahr 2025 veröffentlicht. Gleichzeitig arbeitet die Muon g-2 Theory Initiative daran, den vorhergesagten Wert mithilfe neuer Daten zu untermauern und neue Gitterberechnungen, die ebenfalls vor 2025 verfügbar sein sollen. Es wird ein sehr spannender Showdown. In der Zwischenzeit wartet die Hochenergiephysik-Community sehnsüchtig auf die Ankündigung der weltweit besten Messung mit dem Fermilab-Muon-g-2-Experiment später in diesem Jahr.