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Muon Discovery bringt Physiker der theoretischen Konfrontation einen Schritt näher

Am 24. Juli versammelte sich ein großes Forscherteam in Liverpool, um eine einzelne Zahl im Zusammenhang mit dem Verhalten des Myons zu enthüllen, einem subatomaren Teilchen, das unserem Universum ein Tor zu neuer Physik öffnen könnte.

Alle Augen waren auf den Computerbildschirm gerichtet, als jemand einen Geheimcode schrieb, um die Ergebnisse zu veröffentlichen. Die erste Nummer, die herauskam, stieß auf Empörung: Zu viele beunruhigende Schüsse, oh mein Gott und was haben wir falsch gemacht. „Es gab eine kollektive Ausatmung auf mehreren Kontinenten“, sagte Kevin Bates, ein Physiker der Virginia Tech, der fünf Stunden entfernt und fast bei dem Treffen anwesend war, nachdem er die endgültige Berechnung durchgeführt hatte. Die neue Messung war fast identisch mit dem, was die Physiker zwei Jahre zuvor berechnet hatten – jetzt mit doppelter Genauigkeit.

Dies ist das neueste Ergebnis der Muon g-2 Collaboration, die am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, ein Experiment durchführt, um die Ablenkungsbewegung des Myons zu untersuchen. Messungen, Der Öffentlichkeit bekannt geben Und Es wurde bei Physical Review Letters eingereicht Am Donnerstagmorgen waren Physiker der Entdeckung, ob das Universum aus mehr Arten von Materie und Energie besteht als berechnet, einen Schritt näher gekommen.

„Es hängt wirklich alles von dieser einzelnen Ziffer ab“, sagte Hannah Penney, eine Physikerin am Lincoln Laboratory des MIT, die als Doktorandin an Myonenmessungen arbeitete.

Wissenschaftler testen das Standardmodell, eine große Theorie, die alle bekannten Teilchen und Kräfte in der Natur umfasst. Obwohl das Standardmodell das Ergebnis unzähliger Experimente erfolgreich vorhergesagt hat, hegen Physiker seit langem die Vermutung, dass sein Rahmenwerk unvollständig ist. Die Theorie kann weder die Schwerkraft noch die Dunkle Materie (den Klebstoff, der unser Universum zusammenhält) oder die Dunkle Energie (die Kraft, die es auseinanderhält) erklären.

Eine der vielen Möglichkeiten, mit denen Forscher nach Physik jenseits des Standardmodells suchen, ist die Untersuchung von Myonen. Als schwerere Verwandte des Elektrons sind Myonen instabil und überleben nur zwei Millionstel Sekunden, bevor sie in leichtere Teilchen zerfallen. Sie wirken auch wie kleine Stabmagnete: Bringt man das Myon in ein Magnetfeld, schwingt es wie ein Kreisel. Die Geschwindigkeit dieser Bewegung hängt von einer Eigenschaft des Myons ab, dem magnetischen Moment, das Physiker mit dem Symbol g abkürzen.

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Theoretisch sollte g genau gleich 2 sein. Aber Physiker wissen, dass dieser Wert durch den „Quantenschaum“ virtueller Teilchen ins Wanken gerät, der aus der Existenz verschwindet und verhindert, dass der leere Raum jemals wirklich leer ist. Diese vorbeiziehenden Teilchen verändern die Schwingungsgeschwindigkeit des Myons. Durch eine Bestandsaufnahme aller Kräfte und Teilchen im Standardmodell können Physiker vorhersagen, wie viel g kompensiert wird. Sie nennen diese Abweichung g-2.

Wenn jedoch unbekannte Teilchen im Spiel sind, werden experimentelle Messungen von g nicht mit dieser Vorhersage übereinstimmen. „Und das macht die Untersuchung des Myons so spannend“, sagte Dr. Penney. „Es reagiert empfindlich auf alle Partikel da draußen, auch auf solche, von denen wir noch nichts wissen.“ Sie fügte hinzu, dass jeder Unterschied zwischen Theorie und Experiment bedeute, dass neue Physik am Horizont stehe.

Um g-2 zu messen, erzeugten Forscher am Fermilab einen Myonenstrahl und richteten ihn auf einen donutförmigen Magneten mit einem Durchmesser von 50 Fuß, dessen Inneres mit zum Leben erwachten virtuellen Teilchen gefüllt war. Während die Myonen um den Ring rasten, zeichneten Detektoren an seinem Rand auf, wie schnell sie schwankten.

Anhand von 40 Milliarden Myonen – fünfmal so viele Daten wie den Forschern im Jahr 2021 – maß das Team g-2 mit 0,00233184110, was einer Abweichung von einem Zehntel Prozent von 2 entspricht. Das Ergebnis war eine Genauigkeit von 0,2 Teilen pro Million. Dr. Bates sagte, dies sei so, als würde man die Entfernung zwischen New York City und Chicago mit einer Unsicherheit von nur 10 Zoll messen.

„Das ist eine erstaunliche Leistung“, sagte Alex Keshavarzi, Physiker an der Universität Manchester und Mitglied der Muon g-2 Collaboration. „Dies ist die weltweit genaueste Messung, die jemals in einem Teilchenbeschleuniger durchgeführt wurde.“

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Ob der gemessene g-2 jedoch mit der Vorhersage des Standardmodells übereinstimmt, muss noch ermittelt werden. Das liegt daran, dass theoretische Physiker zwei Methoden zur Berechnung von g-2 haben, basierend auf unterschiedlichen Methoden zur Berechnung der starken Kraft, die Protonen und Neutronen im Kern zusammenhält.

Die traditionelle Berechnung basiert auf 40 Jahren intensiver Kraftmessungen, die in Experimenten auf der ganzen Welt durchgeführt wurden. Bei diesem Ansatz sei die G-2-Vorhersage nur so gut wie die verwendeten Daten, sagte Aida Khadra, theoretische Physikerin an der University of Illinois Urbana-Champaign und Vorsitzende der Moon-G-2-Theory-Initiative. Sie sagte, empirische Einschränkungen dieser Daten könnten diese Vorhersage ungenauer machen.

Es ist auch eine neuere Technologie namens Gitterberechnung entstanden, die Supercomputer verwendet, um das Universum als vierdimensionales Gitter aus Punkten in Zeit und Raum zu modellieren. Al-Khadhra bestätigte, dass diese Methode überhaupt nicht von Daten profitiert. Es gibt nur ein Problem: Es wird eine g-2-Vorhersage generiert, die sich von der herkömmlichen Methode unterscheidet.

„Niemand weiß, warum diese beiden Menschen so unterschiedlich sind“, sagte Dr. Keshavarzi. „Sie sollten genau gleich sein.“

Im Vergleich zu einer konventionellen Vorhersage weist die neueste g-2-Messung eine Varianz von mehr als 5 Sigma auf, was einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 3,5 Millionen entspricht, dass das Ergebnis ein Zufall ist, sagte Dr. Keshavarzi und fügte hinzu, dass dieser Grad an Sicherheit unvorstellbar sei die Stufe, die erforderlich ist, um die Entdeckung zu beanspruchen. . (Dies ist eine Verbesserung gegenüber 4,2-Sigma-Ergebnis im Jahr 2021und eine 3,7-Sigma-Messung, die um die Jahrhundertwende im Brookhaven National Laboratory durchgeführt wurde.)

Aber als sie es mit der Netzhautvorhersage verglichen, sagte Dr. Keshavarzi, gab es überhaupt keine Diskrepanz.

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Experimente gehen in der Physik selten über die Theorie hinaus, sagte Dr. Bates, aber dies ist einer dieser Momente. „Das Interesse liegt in der theoretischen Gemeinschaft“, fügte er hinzu. „Die Lichter sind jetzt an ihnen.“

Dr. Penny sagte: „Wir sind gespannt, wie sich diese Theoriediskussion entwickeln wird.“ Physiker gehen davon aus, dass die G-2-Vorhersagen bis 2025 besser verstanden werden.

Während die beiden theoretischen Lager daran arbeiten, werden die Experimentatoren die g-2-Messung weiter verfeinern. Sie verfügen über mehr als die doppelte Menge an Daten, die noch zu prüfen sind, und sobald diese Daten berücksichtigt werden, wird sich ihre Genauigkeit um einen weiteren Faktor verbessern.

Die neueste Erkenntnis bringt Physiker der Konfrontation mit dem Standardmodell einen Schritt näher. Aber selbst wenn die neue Physik bestätigt wird, wird noch mehr Arbeit nötig sein, um herauszufinden, was das eigentlich ist. Dr. Keshavarzi sagte, die Entdeckung der Unvollständigkeit bekannter Naturgesetze werde den Grundstein für eine neue Generation von Experimenten legen, da sie den Physikern zeigen werde, wo sie suchen müssen.

Für Dr. Bates, der fast 30 Jahre damit verbracht hat, die Grenzen des Standardmodells zu erweitern, wird der Beweis der Existenz neuer Physik ein feierliches Ereignis und eine Erinnerung an alles sein, was noch zu tun ist. „Einerseits wird man darauf anstoßen und den Erfolg feiern, einen echten Durchbruch“, sagte er. „Aber dann machen Sie sich wieder an die Arbeit. Was sind die nächsten Ideen, an denen wir arbeiten können?“

Magda Franke

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