Myon-g-2-Experiment - Studie liefert handfeste Hinweise auf «fünfte fundamentale Naturkraft»
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Myon-g-2-ExperimentStudie liefert handfeste Hinweise auf «fünfte fundamentale Naturkraft»

Spannende Diskrepanz: Das Myon – ein physikalisches Teilchen – verhält sich anders, als es laut Standardmodell sollte. Forschende sprechen schon von einer «aufregenden neuen Physik».

von
Fee Anabelle Riebeling
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Am Fermi National Accelerator Laboratory, kurz Fermilab, vor den Toren Chicagos, haben Forschende möglicherweise eine fünfte Naturkraft aufgespürt. 

Am Fermi National Accelerator Laboratory, kurz Fermilab, vor den Toren Chicagos, haben Forschende möglicherweise eine fünfte Naturkraft aufgespürt.

Reidar Hahn/Fermilab
Die dort im Rahmen des Muon g-2-Experiments festgestellte Abweichung zum Standardmodell der Teilchenphysik werten beteiligte und unbeteiligte Physiker als handfesten Hinweis auf etwas bisher Unbekanntes. (Im Bild: der supraleitende Speicherring des Fermilabs, mit dem der Nachweis erbracht wurde)

Die dort im Rahmen des Muon g-2-Experiments festgestellte Abweichung zum Standardmodell der Teilchenphysik werten beteiligte und unbeteiligte Physiker als handfesten Hinweis auf etwas bisher Unbekanntes. (Im Bild: der supraleitende Speicherring des Fermilabs, mit dem der Nachweis erbracht wurde)

Reidar Hahn/Fermilab
Die Messung bestätigt ein vor zwanzig Jahren durchgeführtes Experiment am Brookhaven National Laboratory. Zusammengenommen liefern diese beiden Messungen einen der bisher stärksten Hinweise darauf, dass es im Mikrokosmos Teilchen oder Kräfte geben könnte, die wir noch nicht kennen.

Die Messung bestätigt ein vor zwanzig Jahren durchgeführtes Experiment am Brookhaven National Laboratory. Zusammengenommen liefern diese beiden Messungen einen der bisher stärksten Hinweise darauf, dass es im Mikrokosmos Teilchen oder Kräfte geben könnte, die wir noch nicht kennen.

Ryan Postel/Fermilab/Muon g-2 collaboration

Darum gehts

  • Bislang kennt die Menschheit vier Naturkräfte.

  • Doch neue Erkenntnisse aus der Physik deuten stark auf die Existenz einer fünften hin.

  • Diese widersprechen damit dem anerkannten Standardmodell der Teilchenphysik.

  • Worum es sich dabei handeln könnte, ist noch offen.

  • Eine Vermutung gibt es aber bereits.

Physiker sorgen derzeit für jede Menge Wirbel. Erst kürzlich haben Forschende am Cern bei Genf Teilchenzerfälle beobachtet, die auf die Existenz noch unbekannter Elementarteilchen oder Kräfte hinweisen. Nun melden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den USA Beobachtungen, die Zweifel am Standardmodell der Teilchenphysik, einer Art Stammbaum der Nanowelt, wecken (siehe Box).

Konkret wiesen die Mitarbeitenden des Beschleunigungs-Labors Fermilab bei Chicago nach, dass ein subatomares Teilchen namens Myon sich anders verhält, als vom Standardmodell prophezeit. Das, so heisst es in einer Mitteilung des US-Labors, könnte auf eine aufregende neue Physik hindeuten. Myonen wirkten wie ein Fenster in die subatomare Welt. Dass sie sich anders verhalten als vorgesagt, könnte darauf hindeuten, dass sie mit noch unbekannten Teilchen oder Kräften wechselwirken.

Das Standardmodell der Teilchenphysik

Das Standardmodell wurde vor rund 50 Jahren formuliert und beschreibt, wovon Physiker heute ausgehen: welche Teilchen – vom Elektron und Proton über Quarks bis hin zum Higgs-Boson – es gibt und welche Kräfte zwischen ihnen wirken. Vollständig ist es jedoch nicht. «Bislang kann es weder die Natur der Dunklen Materie oder Dunklen Energie erklären, noch warum es mehr Materie als Antimaterie im Kosmos gibt», listet Scinexx.de die offenen Punkte auf. «Auch die Frage, ob es ein Vermittlerteilchen für die Gravitation gibt, ist offen.»

Wackelnde Myonen

Erste Hinweise darauf, dass es zu einer Abweichung vom Standardmodell geben könnte, lieferte vor 20 Jahren ein Experiment am Brookhaven National Laboratory auf Long Island in New York. Damals lag die gemessene Diskrepanz bei rund 3,7 Standardabweichungen. Das war jedoch zu wenig, um als sichere Entdeckung zu gelten. Zudem kann nicht ausgeschlossen werden, dass die Beobachtung nicht auf Zufälle zurückzuführen war. Das Experiment war dafür einfach nicht empfindlich genug. Deshalb untersuchen Physiker seither in verschiedenen Tests, ob diese Abweichung real ist oder auf systematischen Unsicherheiten in Theorie und Experiment basiert.

Für das nun in den «Physical Review Letters» veröffentlichte Myon-g-2-Experiment speiste das internationale Team um Babak Abi von der Oxford University Myone in einen Speicherring ein, in dem die Teilchen einem extrem homogenen Magnetfeld ausgesetzt waren. An ihrem Verhalten in dieser Umgebung können die Forschenden ablesen, ob sich dort nur bekannte oder womöglich auch unbekannte Teilchen befinden. Denn während sich die Effekte durch bekannte Teilchen allesamt sehr präzise errechnen lassen, würde ein vom errechneten Wert abweichender Messwert auf unbekannte Teilchen hinweisen.

Starker Beweis

Tatsächlich stellten die Physikerinnen und Physiker eine Standardabweichung von 4,2 fest. «Dieser Wert spiegelt die Wechselwirkungen des Myons mit allem anderen im Universum wider», sagt Renee Fatemi, Physikerin an der University of Kentucky und Simulationsleiterin des Experiments. «Das ist ein starker Beweis dafür, dass das Myon für etwas empfindlich ist, das nicht in unserer besten Theorie enthalten ist.»

Was das sein könnte, ist noch völlig offen. Laut Mitteilung vermuten die Forschenden aber, dass es sich um Quellen von Materie und Energie handeln könnte, die noch nicht verstanden sind und nicht durch das Standardmodell erklärt werden – «mit anderen Worten, eine fünfte fundamentale Naturkraft, die der Gravitation, dem Elektromagnetismus sowie der starken und schwachen Wechselwirkung zwischen Kernen hinzugefügt würde.»

«Mein Spiderman-Sinn kribbelt»

Die Chance, dass es sich bei den Ergebnissen um eine statistische Fluktuation handelt und nicht um einen tatsächlichen Hinweis auf etwas Unbekanntes, liegt gemäss Studie bei 1 zu 40’000. Damit ist die Wahrscheinlichkeit kleiner als 0,0025 Prozent. Was aus Laiensicht schon nach «ziemlich ausgeschlossen» klingt, ist aus Perspektive von Teilchenphysikern noch nicht genau genug. Sie sprechen laut Nzz.ch erst dann von einer Entdeckung, «wenn die Wahrscheinlichkeit einer zufälligen Fluktuation kleiner als 0,00005 Prozent ist.» Oder anders ausgedrückt: Bei fünf Standardabweichungen kann von einer «Entdeckung» gesprochen werden.

Doch Hoffnungen sind durchaus berechtigt, wie Ben Allanach, Professor für Theoretische Physik an der Universität Cambridge, der nicht an den Experimenten beteiligt war, zur BBC sagte: «Mein Spiderman-Sinn kribbelt. Es sagt mir, dass wird sich bestätigen.»

Auch Schweizer sind Teil der «Muon g-2 Theory Initiative». Parallel zum Experiment haben Forschende der Universität Bern dieselbe physikalische Grösse basierend auf dem Standardmodell theoretisch berechnet.

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