Fermilabs Muon-g-2-Experiment gibt Teilchenphysikern endlich einen Hinweis auf das, was jenseits des Standardmodells liegt

Seit der lang erwarteten Entdeckung der Higgs-Boson 2012 haben Teilchenphysiker tiefer in den subatomaren Bereich vorgedrungen, in der Hoffnung, über die Grenzen der Welt hinaus zu forschen Standardmodell der Teilchenphysik . Auf diese Weise hoffen sie, die Existenz bisher unbekannter Teilchen und die Existenz exotischer Physik zu bestätigen und mehr über die Entstehung des Universums zu erfahren.

Bei der Fermi National Accelerator Laboratory (alias Fermilab) haben Forscher die Myon g-2-Experiment , die vor kurzem die Ergebnisse ihres ersten Laufs . Dank der beispiellosen Präzision ihrer Instrumente stellte das Fermilab-Team fest, dass sich Myonen in ihrem Experiment nicht so verhielten, wie es dem Standardmodell entsprach, und löste damit eine seit Jahrzehnten bestehende Diskrepanz auf.

Experimente mit Myonen begannen vor Jahrzehnten am Europäische Organisation für Kernforschung (CERN) und wurden kürzlich am Brookhaven National Laboratory (BNL) in New York. 2011 trat Fermilab dort an, wo das BNL aufgehört hatte und begann, seine leistungsstarken Beschleuniger der Erforschung der Wechselwirkungen kurzlebiger Myonenteilchen mit einem starken Magnetfeld im Vakuum zu widmen.

Ähnlich wie Elektronen (aber mit 200-mal mehr Masse) treten Myonen auf natürliche Weise auf, wenn kosmische Strahlung auf die Erdatmosphäre trifft. Eine weitere Ähnlichkeit ist die Art und Weise, wie sich Myonen wie rotierende Magnete verhalten, deren Stärke die Geschwindigkeit bestimmt, mit der sie in einem externen Magnetfeld präzedieren (kreisen) (und als 'g-Faktor' bekannt)'). Bei Myonen ist ihr g-Faktor etwas größer als 2 (daher der Name des Experiments).

Der Zweck des Myon g-2-Experiments besteht darin, die Präzessionsrate von Myonen zu untersuchen, während sie einem starken Magnetfeld ausgesetzt sind. Durch das Messen ihrerg-Faktor auf eine Genauigkeit von 0,14 ppm (parts per million), hoffen die Forscher der Muon g?2-Kollaboration zu sehen, ob ihr Verhalten mit den Vorhersagen des Standardmodells (SM) übereinstimmt. Wenn nicht, würde dies darauf hinweisen, dass es Physik gibt, die über den SM hinausgeht und berücksichtigt werden muss.

Graziano Venanzoni, Physiker an der Italienisches Nationales Institut für Kernphysik (INFN), ist auch Co-Sprecher des Muon g-2-Experiments. Wie er am 7. April bekannt gab^NS, während des Seminars, in dem die Ergebnisse des ersten Laufs veröffentlicht wurden, stimmten die Ergebnisse nicht mit den Vorhersagen des SM überein:

„Heute ist ein außergewöhnlicher Tag, auf den nicht nur wir, sondern die gesamte internationale Physik-Community lang gewartet hat. Ein großes Verdienst gebührt unseren jungen Forschern, die uns mit ihrem Talent, ihren Ideen und ihrem Enthusiasmus zu diesem unglaublichen Ergebnis verholfen haben.“

Das 2001 abgeschlossene Vorgängerexperiment am BNL des US-Energieministeriums lieferte erste Hinweise darauf, dass sich Myonen nicht dem Standardmodell entsprechend verhalten. Die ersten Ergebnisse des Muon g-2-Experiments von Fermilab – die bisher genauesten – stimmen stark mit den Ergebnissen des BNL-Forschungsteams überein. Das Herzstück beider Experimente ist ein 15,25 Meter langer supraleitender magnetischer Speicherring.

Der Muon g-2-Magnet traf 2013 im Fermilab ein. Bildnachweis: Reidar Hahn, Fermilab

Diese Komponente wurde 2013 nach Chicago transportiert, wo sie in den Teilchenbeschleuniger von Fermilab integriert wurde, um den intensivsten Myonenstrahl von einem Labor in den USA zu erzeugen. Dieser Strahl wird in den Speicherring gelenkt, wo die Myonen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Während die Myonen tausende Male zirkulieren, interagieren sie mit den kurzlebigen subatomaren Teilchen, die ständig in einem Vakuum auftauchen und wieder verschwinden.

Diese Wechselwirkungen auf Quantenebene beeinflussen den Wert des g-Faktors, wodurch die Präzession der Myonen beschleunigt oder verlangsamt wird. Dies führt zu einem sogenannten „anomalen magnetischen Dipolmoment“, bei dem die Auswirkungen von Wechselwirkungen zum magnetischen Moment eines Teilchens beitragen. Dieser Effekt wird vom SM mit extremer Präzision vorhergesagt, aber das Vorhandensein zusätzlicher Kräfte über den SM hinaus oder Partikel hätte einen zusätzlichen Effekt.

Die von Fermilab und BNL erhaltenen Ergebnisse zeigten ein anormales magnetisches Moment, das sich mit einer Signifikanz von 4,2 Sigma von dem unterschied, was SM vorhersagt. Darüber hinaus stellten die Forscher fest, dass ihre Ergebnisse nur mit einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 40.000 auf statistischen Schwankungen zurückzuführen waren. Sagte Renee Fatemi, Physikerin an der University of Kentucky und Simulationsmanagerin für das Muon g-2-Experiment:

„Diese Größe, die wir messen, spiegelt die Wechselwirkungen des Myons mit allem anderen im Universum wider. Aber wenn die Theoretiker dieselbe Größe berechnen und alle bekannten Kräfte und Teilchen des Standardmodells verwenden, erhalten wir nicht die gleiche Antwort. Dies ist ein starker Beweis dafür, dass das Myon empfindlich auf etwas reagiert, das nicht unserer besten Theorie entspricht.“

„Die Ermittlung des subtilen Verhaltens von Myonen ist eine bemerkenswerte Leistung, die die Suche nach Physik jenseits des Standardmodells in den kommenden Jahren leiten wird“, fügte Joe Lykken, stellvertretender Forschungsdirektor von Fermilab, hinzu. „Dies ist eine aufregende Zeit für die Teilchenphysikforschung, und Fermilab ist an vorderster Front.“

Das erste Ergebnis des Muon g-2-Experiments bestätigt das Ergebnis des Experiments, das vor zwei Jahrzehnten am BNL durchgeführt wurde. Bildnachweis: Ryan Postel/Fermilab/Muon g-2-Zusammenarbeit

Obwohl diese Ergebnisse etwas kleiner sind als die Standardabweichung von 5 Sigma, die erforderlich ist, um ein positives Ergebnis zu deklarieren, ist dies dennoch ein starker Hinweis auf zusätzliche Physik. Währenddessen analysiert das Team von Fermilab die Daten des zweiten und dritten Versuchsdurchlaufs, um zu sehen, ob diese möglicherweise noch überzeugendere Ergebnisse hätten liefern können. Der vierte Lauf ist im Gange, ein fünfter ist für die Zukunft geplant.

Die Kombination der Ergebnisse aus allen fünf Durchläufen wird den Forschern eine noch genauere Messung des g-Faktors des Myons ermöglichen. Nach jahrzehntelanger Forschung könnten Wissenschaftler endlich herausfinden, ob sich innerhalb des Quantenschaums, der Zeit und Raum durchdringt, zusätzliche Physik versteckt. Der Fermilab-Wissenschaftler Chris Polly, ein leitender Doktorand am Brookhaven-Experiment und Co-Sprecher des aktuellen Experiments, sagte:

„Nach den 20 Jahren, die seit dem Ende des Brookhaven-Experiments vergangen sind, ist es so erfreulich, dieses Rätsel endlich lösen zu können. Bisher haben wir weniger als 6% der Daten analysiert, die das Experiment schließlich sammeln wird. Obwohl uns diese ersten Ergebnisse zeigen, dass es einen faszinierenden Unterschied zum Standardmodell gibt, werden wir in den nächsten Jahren noch viel mehr lernen.“

Die Ergebnisse des Fermilab-Teams wurden auch am 7. April geteilt^NSin einem Papier, das im . erschien Physische Überprüfungsschreiben . Die Muon g?2-Kollaboration ist ein internationales Konsortium, das Mitglieder von Forschungsinstituten und Universitäten aus den USA, Italien, Russland, Südkorea und Deutschland umfasst.

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