Magnetisches Rätsel mit Myonen
Jülich, 7. April 2021 - Seit etwa 20 Jahren sind die experimentellen Messungen des Myon-Magnetfeldes in Diskrepanz mit den theoretischen Vorhersagen – was auf einen möglichen Fehler in unserem derzeitigen physikalischen Verständnis hinweist. Eine neue Berechnung mit beispielloser Präzision bringt die theoretische Vorhersage näher an den bisherigen experimentellen Wert. Die Arbeit wurde mit der Beteiligung Jülicher Wissenschaftler und zum großen Teil auf den Jülicher Superrechnern JUQUEEN und JUWELS durchgeführt, und wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Das Thema hat eine besondere Aktualität: ein neues Experiment aus den USA, mit dem Ziel, das Magnetfeld des Myons noch genauer zu bestimmen, wird am 7. April seine ersten Ergebnisse bekanntgeben.
Im physikalischen Standardmodell fassen Physiker ihre Kenntnisse über die kleinsten Teilchen und deren Wechselwirkungen zusammen. Zu den bekanntesten Elementarteilchen gehört das Myon, ein kurzlebiger Cousin des Elektrons, welches – bis auf eine um 200-mal größere Masse – die gleichen Eigenschaften wie dieses besitzt. Vor 20 Jahren stießen Experimentalphysiker im Fall der Myonen auf eine mögliche Diskrepanz zu den Annahmen des Standardmodells: die Messung am Brookhaven National Laboratory in den USA wies darauf hin, dass sich das Myon in starken Magnetfeldern anders zu verhalten scheint, als die Theorie es vorhersagt.
Diesem Missverhältnis zwischen Modell und experimentellem Wert – dem Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons – ist ein internationales Team von theoretischen Physikern auf den Grund gegangen; über seine möglichen Ursachen können nur Vermutungen angestellt werden. Den Physikern gelang es nun mithilfe von sogenannten Gitter QCD-Rechnungen, einer Methode zur computergestützten Lösung hochkomplexer Gleichungen, die Genauigkeit der damaligen Messungen zu übertreffen. "Der damals gemessene Effekt war zu klein, um eine echte wissenschaftliche Entdeckung und damit eine 'neue Physik' oder eine Erweiterung des Standardmodells nahezulegen. Aber gleichzeitig war er viel zu groß, um ihn zu ignorieren", erklärt Prof. Kalman Szabo, der den Jülicher Beitrag koordinierte. "Viele rechneten damit, dass neue, noch nicht veröffentlichte, aber immer präziser werdende experimentelle Ergebnisse die Diskrepanz vergrößern und damit die Existenz von neuer Physik und neuen Kräften beweisen würden."
Die nun veröffentlichten, hochkomplexen Rechnungen führen jedoch zu einer unerwarteten Wende: "Es sieht so aus, als sei die gemessene Diskrepanz verschwunden", so Szabo. "Theorie und Experiment wären damit in Einklang." Die Arbeit wurde nun in Nature veröffentlicht. "Entscheidend für die Simulationen waren Jülicher Superrechner", erklärt Kalman Szabo: "Zuerst JUQUEEN und später auch sein Nachfolger JUWELS. Nur mit diesen Superrechnern der Weltklasse war es überhaupt möglich eine Präzision zu erreichen, die mit dem kleinen experimentellen Fehler mithalten kann." Die Rechenzeit wurde von dem deutschen Gauss Centre for Supercomputing in einem Wettbewerbsverfahren vergeben. Neben den Experten des Jülich Supercomputing Centre gehören zu dem internationalen Forschungsteam Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Wuppertal, des CNRS Marseille, der Eötvös-Loránd-Universität Budapest und der Pennsylvania State University.
"Die Forschung rund um die Myonen bleibt aber weiterhin spannend", so Szabo. "Die neue Berechnung, die eine Reihe von neuartigen Techniken eingesetzt hat, muss erst einmal von anderen Gruppen unabhängig überprüft werden." Es bleibt auch zu verstehen, warum die neue theoretische Berechnung von den älteren abweicht. Aber vielleicht am spannendsten ist, dass am 7. April 2021 ein neues Experiment aus dem Fermi National Laboratory in den USA seine ersten Ergebnisse zum magnetischen Moment des Myons enthüllen wird, erklärt Kalman Szabo. "Wir können kaum erwarten zu erfahren, wo der neue experimentelle Wert im Vergleich zu den früheren theoretischen und experimentellen Bestimmungen liegen wird."
Originalpublikation: Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD, Sz. Borsanyi, Z. Fodor, J. N. Guenther, C. Hoelbling, S. D. Katz, L. Lellouch, T. Lippert, K. Miura, L. Parato, K. K. Szabo, F. Stokes, B. C. Toth, Cs. Torok, L. Varnhorst, Nature April 2021,
DOI: 10.1038/s41586-021-03418-1
Weitere Informationen:
Jülich Supercomputing Centre (JSC)
Ansprechpartner:
Prof. Kalman Szabo
Leiter der Helmholtz research group "Nuclear and particle physics"
Jülich Supercomputing Centre (JSC)
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Prof. Thomas Lippert
Leiter des Jülich Supercomputing Centre (JSC)
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