Das Fermi National Accelerator Laboratory oder kurz „Fermilab” genannt, ist ein Forschungs­zentrum für Teilchen­physik, das vom US-Energie­ministerium betrieben wird. Es beherbergte von 1983 bis 2011 das Tevatron, das am 30. November 2009 vom Large Hadron Collider als energie­reichster Teilchen­beschleuniger der Welt abgelöst wurde.

Nichts desto trotz wurden dort weiterhin erfolg­versprechende Experimente durch­geführt. Eines davon wurde als das „Muon g-2 Experiment” bekannt. Einmal mehr hat sich gezeigt, dass sich fundamentale Teilchen, wozu das Myon (Englisch: Muon) gehört, auf eine Weise verhalten, die selbst von dem Standard­modell der Teilchen­physik, nicht vorher­gesagt wird. Durch die bahn­brechenden Ergebnisse wurde aber­mals eine Diskrepanz bestätigt, über die sich Wissen­schaftler schon seit Jahrzehnten den Kopf zerbrechen.

Die Tatsache, dass das Verhalten der Myonen von der Berechnung des Standard­modells abweichen, könnte auf ein Über­denken unseres bisherigen Verständnisses der Physik hindeuten. Myonen eröffnen quasi ein Portal in die subatomare Welt und könnten mit noch unentdeckten Teilchen oder Kräften interagieren.

Das Herzstück des Experiments ist ein supra­leitender magne­tischer Speicher­ring mit einem Durch­messer von etwas mehr als 15 Metern. Dieses beeindruckende Experiment arbeitet bei −450 Grad Fahrenheit, was −268 Grad Celsius entspricht. Es wird die Präzession (das Wackeln) von Myonen untersucht, während sie durch das Magnet­feld wandern.

Das Myon ist etwa 200-mal masse­reicher als das Elektron. Myonen treten auf natür­liche Weise auf, wenn kosmische Strahlen auf die Erdatmos­phäre treffen. Sie lassen sich aber auch im Teilchen­beschleuniger, z. B. im Fermilab in großer Zahl hervorrufen. Myonen verhalten sich wie Elektronen, so als ob sie einen winzigen inneren Magneten hätten. In einem starken Magnet­feld präzediert bzw. wackelt die Richtung des Magneten des Myons, ähnlich wie die Achse eines Kreisels. Die Stärke des inneren Magneten bestimmt die Geschwindig­keit, mit der das Myon in einem äußeren Magnet­feld präzediert und wird durch eine Zahl beschrieben, die man als „g-Faktor” bezeichnet. Diese Zahl kann mit extrem hoher Genauig­keit berechnet werden.

Während die Myonen im „Muon g-2 Magneten” zirku­lieren, inter­agieren sie auch mit einer Art „Quanten­schaum” aus subatomaren Partikeln, die auftauchen und wieder verschwinden. Wechsel­wirkungen mit diesen kurz­lebigen Teilchen beeinflussen den Wert des „g-Faktors”, wodurch die Präzession der Myonen sehr leicht beschleunigt oder verlangsamt wird.

Das Standard­modell sagt zwar dieses sogenannte anomale magne­tische Moment ziemlich präzise voraus. Doch wenn der Quanten­schaum zusätz­liche Kräfte oder Partikel enthält, die im Standard­modell nicht berück­sichtigt werden, würde dies den „Myon-g-Faktor” weiter optimieren.

„Diese Größe, die wir messen, spiegelt die Wechsel­wirkungen des Myons mit allem anderen im Universum wider. Aber wenn die Theoretiker die gleiche Größe berechnen und alle bekannten Kräfte und Teilchen des Standard­modells verwenden, erhalten wir nicht die gleiche Antwort”, sagte Renee Fatemi. Sie ist Physikerin an der University of Kentucky und Simulations­managerin beim „Muon g-2 Experiment”. „Dies ist ein starker Beweis dafür, dass das Myon empfindlich auf etwas reagiert, das nicht unserer besten Theorie entspricht.”

Bereits das Vorgänger­experiment am Brookhaven National Laboratory des DOE, das 2001 abgeschlossen wurde, lieferte Hinweise darauf, dass das Verhalten des Myons nicht mit dem Standard­modell über­einstimmte. Die neue Messung aus dem „Muon g-2 Experiment” stimmt stark mit dem in Brookhaven gefundenen Wert überein.

Abb. 1: Der Wert vom Fermilab-Experiment zeigt die aktuell genaueste Messung

Die akzeptierten theore­tischen Werte für das Myon sind:
g-Faktor: 2,00233183620(86)
Anomales magne­tisches Moment: 0,00116591810(43)
(Unsicherheit in Klammern)

Die neuen experimen­tellen Welt­durch­schnitts­ergebnisse, die zuletzt von der „Muon g-2 Kollaboration” bekannt gegeben wurden, lauten:
g-Faktor: 2,00233184122(82)
Anomales magnetisches Moment: 0,00116592061(41)
(Unsicherheit in Klammern)

Die kombinierten Ergeb­nisse von Fermilab und Brookhaven zeigen einen Unter­schied zur Theorie mit einer Signi­fikanz von 4,2 Sigma, ein wenig unter den 5 Sigma (Standard­abwei­chungen). Die Wahr­schein­lich­keit, dass es sich bei den Ergeb­nissen um eine statis­tische Schwan­kung handelt, beträgt etwa 1 zu 40 000.

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