Das magnetische Moment des Myons hat aufgrund der geringen Differenz zwischen seinen theoretischen und experimentellen Werten ein wissenschaftliches Rätsel aufgeworfen, was auf Wechselwirkungen mit unbekannten Teilchen oder Kräften schließen lässt. Forschungen mit fortgeschrittenen Quantensimulationen haben begonnen, diese Diskrepanzen aufzudecken und Erkenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften von Myonen und ihre Wechselwirkungen in der Teilchenphysik zu gewinnen. Bildnachweis: SciTechDaily.com
Die Forscher identifizierten den Ursprung der Diskrepanzen in jüngsten Vorhersagen zum magnetischen Moment des Myons. Ihre Erkenntnisse könnten zur Erforschung der Dunklen Materie und anderen Aspekten der neuen Physik beitragen.
Das magnetische Moment ist eine intrinsische Eigenschaft eines Teilchens mit Spin, die aus der Wechselwirkung zwischen dem Teilchen und einem Magneten oder einem anderen Objekt mit einem Magnetfeld entsteht. Das magnetische Moment ist wie Masse und elektrische Ladung eine der Grundgrößen der Physik. Es besteht ein Unterschied zwischen dem theoretischen Wert des magnetischen Moments eines Myons, eines Teilchens, das zur gleichen Klasse wie das Elektron gehört, und den Werten, die in Hochenergieexperimenten in Teilchenbeschleunigern erhalten werden.
Der Unterschied tritt erst ab der achten Dezimalstelle auf, aber seit seiner Entdeckung im Jahr 1948 sind Wissenschaftler von ihm fasziniert. Dabei handelt es sich nicht um ein Detail: Er kann darauf hinweisen, ob das Myon mit Teilchen der Dunklen Materie oder anderen Higgs-Bosonen wechselwirkt oder ob es sogar unbekannt ist Kräfte sind an dem Prozess beteiligt.
Diskrepanzen im magnetischen Moment von Muon
Der theoretische Wert des magnetischen Moments des Myons, dargestellt durch den Buchstaben g, wird durch die Dirac-Gleichung angegeben – formuliert vom englischen Physiker und Nobelpreisträger von 1933 Paulo Dirac (1902-1984), einem der Begründer der Quantenmechanik und Quantenelektrodynamik – als 2. Experimente haben jedoch gezeigt, dass g nicht genau 2 ist, und es besteht großes Interesse daran, „g-2“ zu verstehen, also die Differenz zwischen dem experimentellen Wert und dem durch die Dirac-Gleichung vorhergesagten Wert. Der beste derzeit verfügbare experimentelle Wert, der mit beeindruckender Präzision am Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in den Vereinigten Staaten ermittelt und im August 2023 bekannt gegeben wurde, ist 2,00116592059, mit einem Unsicherheitsbereich von plus oder minus 0,00000000022.
„Die genaue Bestimmung des magnetischen Moments des Myons ist zu einem Schlüsselthema in der Teilchenphysik geworden, da die Untersuchung dieser Lücke zwischen den experimentellen Daten und der theoretischen Vorhersage Informationen liefern kann, die zur Entdeckung eines spektakulären neuen Effekts führen könnten“, sagte der Physiker Diogo Boito Professor am São Carlos Institute of Physics (IFSC-USP) der Universität São Paulo, sagte gegenüber Agência FAPESP.
Ein Artikel von Boito und Mitarbeitern zu diesem Thema wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Neue Erkenntnisse aus der Forschung
„Unsere Ergebnisse wurden auf zwei wichtigen internationalen Veranstaltungen präsentiert. Zuerst von mir während eines Workshops in Madrid, Spanien, und später von meinem Kollegen Maarten Golterman von der San Francisco State University bei einem Treffen in Bern, Schweiz“, sagte Boito.
Diese Ergebnisse quantifizieren und weisen auf den Ursprung einer Diskrepanz zwischen den beiden Methoden hin, mit denen aktuelle Vorhersagen über Myon g-2 getroffen werden. „Derzeit gibt es zwei Methoden zur Bestimmung einer Grundkomponente von g-2. Die erste basiert auf experimentellen Daten und die zweite auf Computersimulationen der Quantenchromodynamik oder QCD, der Theorie, die starke Wechselwirkungen zwischen Quarks untersucht. Diese beiden Methoden führen zu recht unterschiedlichen Ergebnissen, was ein großes Problem darstellt. Bis es gelöst ist, können wir die Beiträge möglicher exotischer Teilchen wie beispielsweise neuer Higgs-Bosonen oder Dunkler Materie zu g-2 nicht untersuchen“, erklärte er.
Der Studie gelang es, die Diskrepanz zu erklären, aber um sie zu verstehen, müssen wir ein paar Schritte zurückgehen und noch einmal mit einer etwas detaillierteren Beschreibung des Myons beginnen.
Der Myonenspeicherring im Fermilab. Bildnachweis: Reidar Hahn, Fermilab
Das Myon ist ein Teilchen, das wie das Elektron zur Klasse der Leptonen gehört, aber eine viel größere Masse hat. Aus diesem Grund ist es instabil und überlebt in einem Hochenergiekontext nur für sehr kurze Zeit. Wenn Myonen in Gegenwart eines Magnetfelds miteinander interagieren, zerfallen sie und gruppieren sich zu einer Wolke aus anderen Teilchen wie Elektronen, Positronen, W- und Z-Bosonen, Higgs-Bosonen und Photonen. In Experimenten werden Myonen daher immer von vielen anderen virtuellen Teilchen begleitet. Ihre Beiträge führen dazu, dass das in Experimenten gemessene tatsächliche magnetische Moment größer ist als das theoretische magnetische Moment, das durch die Dirac-Gleichung berechnet wird und gleich 2 ist.
„Um den Unterschied zu erzielen [g-2]Es ist notwendig, alle diese Beiträge zu berücksichtigen – sowohl die von der QCD vorhergesagten [in the Standard Model of particle physics] und andere, die kleiner sind, aber in hochpräzisen experimentellen Messungen auftauchen. Wir kennen einige dieser Beiträge sehr gut – aber nicht alle“, sagte Boito.
Die Auswirkungen der starken QCD-Wechselwirkung können nicht allein theoretisch berechnet werden, da sie in einigen Energieregimen nicht praktikabel sind. Daher gibt es zwei Möglichkeiten. Eine davon wird seit einiger Zeit verwendet und erfordert den Rückgriff auf experimentelle Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen, bei denen andere Teilchen aus Quarks entstehen. Die andere ist die Gitter-QCD, die erst in diesem Jahrzehnt wettbewerbsfähig wurde und die Simulation des theoretischen Prozesses in einem Supercomputer beinhaltet.
„Das Hauptproblem bei der Vorhersage von Myon g-2 besteht derzeit darin, dass das Ergebnis, das anhand von Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen erhalten wurde, nicht mit dem gesamten experimentellen Ergebnis übereinstimmt, während dies bei den Ergebnissen, die auf der Gitter-QCD basieren, der Fall ist. Niemand war sich sicher, warum, und unsere Studie klärt einen Teil dieses Rätsels“, sagte Boito.
Er und seine Kollegen haben ihre Forschung genau zur Lösung dieses Problems durchgeführt. „Der Artikel berichtet über die Ergebnisse einer Reihe von Studien, in denen wir eine neuartige Methode entwickelt haben, um die Ergebnisse von Gitter-QCD-Simulationen mit den Ergebnissen basierend auf experimentellen Daten zu vergleichen. „Wir zeigen, dass es möglich ist, aus den Daten Beiträge, die im Gitter berechnet werden, mit großer Präzision zu extrahieren – die Beiträge sogenannter verbundener Feynman-Diagramme“, sagte er.
Der amerikanische theoretische Physiker Richard Feynman (1918-1988) erhielt 1965 den Nobelpreis für Physik (zusammen mit Julian Schwinger und Shin’ichiro Tomonaga) für grundlegende Arbeiten in der Quantenelektrodynamik und der Physik der Elementarteilchen. Feynman-Diagramme, erstellt im Jahr 1948, sind grafische Darstellungen der mathematischen Ausdrücke, die die Wechselwirkung solcher Teilchen beschreiben und zur Vereinfachung der jeweiligen Berechnungen dienen.
„In der Studie haben wir erstmals mit großer Präzision die Beiträge verbundener Feynman-Diagramme im sogenannten ‚Zwischenenergiefenster‘ ermittelt. Heute liegen uns acht Ergebnisse für diese Beiträge vor, die mithilfe von Gitter-QCD-Simulationen gewonnen wurden, und alle stimmen weitgehend überein. Darüber hinaus zeigen wir, dass die Ergebnisse, die auf Daten zur Elektron-Positron-Wechselwirkung basieren, nicht mit diesen acht Ergebnissen aus Simulationen übereinstimmen“, sagte Boito.
Dies ermöglichte es den Forschern, die Ursache des Problems zu lokalisieren und über mögliche Lösungen nachzudenken. „Es wurde klar, dass die Ursache für die Diskrepanz sein könnte, wenn die experimentellen Daten für den Zwei-Pion-Kanal aus irgendeinem Grund unterschätzt würden“, sagte er. Pionen sind Mesonen – Teilchen, die aus einem Quark und einem Antiquark bestehen und bei hochenergetischen Kollisionen entstehen.
Tatsächlich scheinen neue Daten (die sich noch in der Peer-Review befinden) aus dem CMD-3-Experiment, das an der Staatlichen Universität Nowosibirsk in Russland durchgeführt wurde, zu zeigen, dass die ältesten Zwei-Pion-Kanaldaten aus irgendeinem Grund möglicherweise unterschätzt wurden.
Referenz: „Datengesteuerte Bestimmung der Light-Quark-verbundenen Komponente des Intermediate-Window-Beitrags zum Myon.“ g−2” von Genessa Benton, Diogo Boito, Maarten Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman und Santiago Peris, 21. Dezember 2023, Briefe zur körperlichen Untersuchung.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.131.251803
Boitos Teilnahme an der Studie war Teil seines Projekts „Testing the standard model: precision QCD and myon g-2“, für das ihm FAPESP ein Phase 2 Young Investigator Grant verlieh.