Erste Ergebnisse lieferte das Muon g-2-Experiment am Fermilab, das mit hoher Präzision den Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons messen soll. Der resultierende Wert stimmte mit den Ergebnissen eines ähnlichen Experiments E821 am Brookhaven National Laboratory überein, und zusammen unterscheiden sich die beiden Messungen von den Vorhersagen des Standardmodells mit einer statistischen Genauigkeit von 4, 2σ. Eine solche Abweichung von der Theorie mit einer weiteren Abnahme des Messfehlers kann auf die Existenz noch nicht entdeckter Teilchen oder Kräfte im Rahmen der Neuen Physik hinweisen. Wissenschaftler sprachen auf dem Seminar über die ersten Ergebnisse, und ein Artikel über das Experiment wurde in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht.
Die meisten Teilchen im Standardmodell haben ein eigenes magnetisches Moment, d. h. aus Sicht der magnetischen Eigenschaften können solche Teilchen in grober Näherung als kleiner Magnet betrachtet werden. Die Existenz des intrinsischen magnetischen Moments ist hauptsächlich auf den Spin des Teilchens zurückzuführen: Für ein Elektron wurde sein Wert bereits 1928 mit hoher Genauigkeit vorhergesagt. Nach diesen Vorhersagen sollte der sogenannte g-Faktor gleich 2 im Ausdruck des magnetischen Moments des Elektrons in Form von Spinfeldern erscheinen. Diese Wechselwirkung führt zu einer Veränderung des tatsächlichen Wertes des g-Faktors um ein Tausendstel, aber genau diese Abweichung wurde später im Experiment mit hoher Genauigkeit gemessen.
Ähnliche Überlegungen gelten für das Myon, ein weiteres Lepton, das 207-mal schwerer ist als ein Elektron. In diesem Fall kann man sich jedoch nicht auf den Beitrag der elektromagnetischen Wechselwirkung zu ihrem eigenen magnetischen Moment beschränken. Es ist die große Masse des Myons, die dazu führt, dass sein Magnetfeld durch die Wechselwirkung mit massiven Feldern beeinflusst wird, insbesondere mit Paaren virtueller massiver Teilchen, die im Vakuum kontinuierlich geboren und vernichtet werden. In der Sprache der Feynman-Diagramme wird eine solche Interaktion erster Ordnung mit Hilfe von Ein-Schleifen-Diagrammen beschrieben. Das Standardmodell unter Berücksichtigung aller darin enthaltenen Teilchen ermöglicht es, den Beitrag dieser Prozesse zum magnetischen Moment des Myons vorherzusagen. Daher waren Physiker daran interessiert, das anomale magnetische Moment des Myons (definiert als Differenz des g-Faktors des Myons und 2, geteilt durch die Hälfte) zu messen, da die Abweichung der Messungen von theoretischen Vorhersagen darauf hinweisen könnte, dass das Myon wechselwirkt mit massiven Teilchen, die dem Standardmodell unbekannt sind, oder durch Unbekannte dieser Krafttheorie. Somit würde die Abweichung des anomalen magnetischen Moments des Myons vom erwarteten Wert tatsächlich die Existenz der Neuen Physik bestätigen.
Einschleifen-Feynman-Diagramme, die den Beitrag der Quantenelektrodynamik (der erste) und massiver Teilchen (der Rest) zum magnetischen Moment des Myons beschreiben
Die ersten präzisen Experimente zur Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons wurden am CERN durchgeführt, aber die endgültigen Ergebnisse des 2006 veröffentlichten E821-Experiments am Brookhaven National Laboratory sorgten für Furore. Der damals gemessene Wert unter Berücksichtigung des Fehlers unterschied sich von den modernen Vorhersagen des Standardmodells mit einer statistischen Genauigkeit von 3, 7σ, was bereits auf eine sehr deutliche Abweichung hinweist. Aber eine solche Genauigkeit reichte für die offizielle Entdeckung nicht aus, und es wurde beschlossen, eine ähnliche Installation am Fermilab zu errichten, wo man bereits wusste, wie man hochdichte polarisierte Myonenstrahlen erzeugt. So entstand das Muon g-2-Experiment in seiner neuesten Variante, die von seinem Vorgänger nicht nur die Methodik, sondern auch den Hauptteil der Installation geerbt hat: Ein supraleitender Magnetring wurde von Long Island nach Chicago transportiert.
Versuchsaufbau Muon g - 2
Nun präsentierten die Teilnehmer des Muon g-2-Experiments, Physiker aus den Instituten der USA, Italiens, Deutschlands, Chinas, Großbritanniens und anderer Länder, darunter das russische JINR und das Budker INP, die ersten Messungen des anomalen magnetischen Moments der myon, das die Ergebnisse von E821 bestätigte: Der erhaltene Wert stimmt innerhalb der Fehlergrenze mit Messungen des Brookhaven National Laboratory überein und weicht mit einer statistischen Genauigkeit von 3, 3σ von den Vorhersagen des Standardmodells ab. Der relative Messfehler betrug 0,46 ppm, zusammen ergeben die beiden genannten Ergebnisse einen Wert mit einem Fehler von 0,35 ppm und weichen mit einer statistischen Genauigkeit von 4,2σ von den theoretischen Vorhersagen ab. Dies bedeutet, dass solche Daten mit einer Wahrscheinlichkeit von eins zu etwa 40.000 in das Standardmodell passen.
Messergebnisse und deren Abweichung von den Vorhersagen des Standardmodells
Das Experiment selbst basiert wie E821 auf der Tatsache, dass ein Teilchen mit einem anomalen magnetischen Moment beim Eintritt in ein Magnetfeld wie ein Wirbel zu präzedieren beginnt. Darüber hinaus hängt die Häufigkeit dieser Präzession direkt von der Größe des anomalen magnetischen Moments des Teilchens ab. Das Myon selbst ist wiederum ein instabiles Teilchen, und bei seinem Zerfall wird ein Elektron geboren, dessen Fluchtrichtung von der Orientierung des Myons im Raum abhängt. Das machten sich die Experimentatoren zunutze: Sie schickten polarisierte Myonenstrahlen mit einer Energie von 3,1 Gigaelektronenvolt in einen Ring mit einem extrem stabilen Magnetfeld von 1,45 Tesla und maßen die Verteilungen der Elektronenemission beim Myonenzerfall. Physiker überwachten das Magnetfeld selbst mit Hilfe der Kernspinresonanz und beobachteten das Verhalten von im Gewässerschutz isolierten Protonen. Diese Technik ermöglichte es, die Messungen kontinuierlich zu kalibrieren und eine solche relative Genauigkeit der erhaltenen Ergebnisse zu erzielen.
Oszillationen bei der Registrierung von Positronen, die beim Zerfall präzedierender Myonen entstehen
Im Zuge der vorgestellten Analyse wurden nur die Daten des ersten Versuchsdurchlaufs verwendet, nach dessen Ende Verbesserungen am Aufbau vorgenommen wurden: Die Stabilität des Systems zur Einspeisung des Myonenstrahls in den Magneten wurde erhöht und die Temperatur Fluktuationen, die die Schwingungen des Magnetfelds beeinflussen, nahmen ab. All dies deutet laut Wissenschaftlern darauf hin, dass im Laufe der nächsten Sitzungen die statistische Genauigkeit der Abweichung der Ergebnisse von den Vorhersagen des Standardmodells zunehmen wird, was bedeutet, dass Physiker den Beweis für die Existenz der Neuen Physik haben. Die erhaltenen Ergebnisse, so die Experimentatoren, sollten Theoretiker dazu bewegen, Erweiterungen des Standardmodells mit neuen Feldern und Teilchen mit starken Wechselwirkungen mit Leptonen zu schaffen.
Das magnetische Moment wird nicht nur für das Myon mit hoher Genauigkeit gemessen: Wir haben früher darüber gesprochen, wie Physiker mit hoher Genauigkeit die Unterschiede im magnetischen Moment eines Protons und eines Antiprotons gemessen haben. Und bei Prozessen mit B-Mesonen findet man immer häufiger Abweichungen vom Standardmodell.
