Es gibt eine neue Messung des Muon-Magnetismus. Was es bedeutet, ist nicht klar.

Muons könnten sich nicht wie erwartet verhalten. Aber die Wissenschaftler können sich nicht darauf einigen, was zu erwarten ist. Indem sie untersuchen, wie sich die subatomaren Partikel in einem magnetischen Feld verhalten, haben Physiker eine Eigenschaft des internen Magneten des Muons genauer als je zuvor bestimmt, berichteten Forscher des Muon g−2-Experiments am 10. August in einem Seminar, das von Fermilab in Batavia, Illinois, veranstaltet wurde.

Frühere Messungen des Magnetismus von Muonen haben nicht mit den theoretischen Vorhersagen übereingestimmt. Diese Vorhersagen stammen aus einer der wichtigsten und sorgfältig getesteten wissenschaftlichen Theorien, die jemals entwickelt wurden: dem Standardmodell der Teilchenphysik, das subatomare Partikel und die Kräfte beschreibt, die sie verbinden.

Viele Physiker haben gehofft, dass die Diskrepanz bei den Muonen auf einen Fehler in der robusten Theorie hinweist, der zu einem besseren Verständnis des Universums führen könnte. Aber mehrere kürzlich aufgetretene wissenschaftliche Überraschungen haben die theoretische Vorhersage der Stärke des winzigen Magneten des Muons verkompliziert, so dass es schwieriger ist zu wissen, ob die Messung auf neue Physik oder ein ungelöstes Problem mit der Vorhersage hinweist.

Muonen gehören zur gleichen Teilchenfamilie wie Elektronen, sind jedoch etwa 200-mal so schwer. Diese kurzlebigen Teilchen verhalten sich wie winzige Magnete, von denen jeder ein eigenes Magnetfeld hat. Die Stärke dieses Magneten wird durch einen seltsamen Effekt der Quantenphysik angepasst. Der leere Raum ist mit einer konstanten Flut von Teilchen gefüllt, die vorübergehend erscheinen, bevor sie wieder verschwinden. Als "virtuelle" Teilchen bezeichnet, haben sie sehr reale Auswirkungen. Diese flüchtigen Teilchen verändern die Stärke des Magneten des Muons um einen Betrag, der gemäß dem Standardmodell berechnet werden kann.

Der genaue Wert dieser Anpassung - bekannt als anomales magnetisches Moment oder "g−2" in physikalischen Gleichungen - hat die Physiker verwirrt.

Verlockenderweise könnten Partikel, die der Wissenschaft unbekannt sind, den Wert von g−2, den Wissenschaftler messen, verschieben. Daher haben frühere Hinweise auf eine Unstimmigkeit mit den Vorhersagen des Standardmodells unter Physikern für Aufregung gesorgt.

"Das Verhalten der Muonen, das wir messen, wird von allen Kräften und Teilchen im Universum beeinflusst", sagt Brynn MacCoy, Forscherin beim Muon g−2 und Physikerin an der University of Washington in Seattle. "Es gibt uns im Grunde genommen ein direktes Fenster in das Funktionieren des Universums."

Die erste Anzeige einer Diskrepanz zwischen der Vorhersage und den Messungen von g−2 kam aus einem Experiment am Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, das vor mehr als zwei Jahrzehnten abgeschlossen wurde. Dann berichtete das Muon g−2-Experiment, das am Fermilab ansässig ist, im Jahr 2021 erstmals seine Ergebnisse und bestätigte die Diskrepanz.

Jetzt hat das Muon g−2-Experiment seine Präzision bei einer aktualisierten Magnetismusmessung verdoppelt, berichteten die Forscher in dem Seminar von Fermilab und in einem am 10. August auf der Website der Muon g−2-Kollaboration veröffentlichten Bericht.

"Dieses Maß an Präzision zu erreichen, ist wirklich beispiellos und beeindruckend", sagt der Physiker Carlos Wagner von der University of Chicago, der nicht an dem Experiment beteiligt war. "Ich bin einfach sprachlos." Die neue Messung umfasst viermal so viele Daten wie die vorherige und enthält weitere Verbesserungen, die die Genauigkeit erhöht haben.

Die Wissenschaftler wollen diesen gemessenen Wert mit der Vorhersage des Standardmodells vergleichen. Aber herauszufinden, was genau das Standardmodell vorhersagt, ist kompliziert.

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Im Jahr 2020 gelangten eine Gruppe theoretischer Physiker namens Muon g−2 Theory Initiative nach gründlicher Überlegung zu einer vorhergesagten Konsensvorhersage, die sie mit den Messungen vergleichen konnten. Seitdem sind jedoch neue, widersprüchliche Informationen aus anderen Experimenten und theoretischen Berechnungen bekannt geworden, die in einer am 9. August auf der Website der Muon g−2 Theory Initiative veröffentlichten Erklärung detailliert sind. Diese Informationen haben die Vorhersage unsicher gemacht.

"Es ist momentan nicht möglich, einen Vergleich anzustellen und zu sagen, ob das Standardmodell mit dem Experiment übereinstimmt oder nicht", sagt der theoretische Physiker Tom Blum von der University of Connecticut in Storrs.

Die Verwirrung hängt von einem besonders herausfordernden Teil der Berechnung von g−2 ab. Es handelt sich um die hadronische Vakuumpolarisation, die sich auf die Anpassung bezieht, die sich aus einem virtuellen Photon ergibt, das von einem Muon emittiert wird und sich in einen Quark und sein Antimaterie-Pendant, ein Antiquark, aufspaltet. Quarks sind eine Klasse von Teilchen, aus denen größere Teilchen wie Protonen und Neutronen bestehen. Der Quark und das Antiquark interagieren, bevor sie wieder in ein virtuelles Photon vernichtet werden.

Scientists have come up with two main ways of calculating this hadronic vacuum polarization term. The conventional way involves using certain experimental data as an input to the calculation. Those data come from experiments that measure how electrons and their antimatter particles, positrons, collide and produce hadrons. The results of such experiments are thought to be well understood.

But a recent experiment, CMD-3, at the VEPP-2000 particle collider in Novosibirsk, Russia, disagrees with those other experiments, researchers reported in February at arXiv.org. If this one outlier is correct, that would suggest that the hints of disagreement between muon measurements and the prediction might be weaker than thought.

A second way of estimating the thorny hadronic vacuum polarization term uses a method called lattice quantum chromodynamics. That technique involves mathematically splitting up spacetime into a grid in order to make calculations more tractable. Scientists have only recently managed to make such calculations precise enough for useful comparisons.

In 2021, a group nicknamed “BMW” published their calculation of the hadronic vacuum polarization contribution in Nature. That estimate pointed to a closer harmony between the prediction and measurement of g−2 and disagreed with the data-driven approach. But the technique demanded confirmation. Since then, other scientists have performed their own lattice calculations to check a portion of the BMW result. Those teams obtained similar results to BMW, boosting confidence in the lattice method.

The focus has now shifted away from scrutinizing the experimental measurement and is instead aimed at analyzing the disagreement among different theoretical techniques.

“The experiment has delivered,” says theoretical physicist Thomas Teubner of the University of Liverpool in England, a member of the Muon g−2 collaboration. Now, to figure out if muons are keeping with the standard model or cracking it, it’s up to the theoretical physicists, he says. “We have to get our house in order.”