Quelle: Justus-Liebig-Universität Gießen 11. April 2024.

11. April 2024 – Die Erde wird fortlaufend von Neutrinos – sehr leichten Teilchen, die im Kosmos, in der Sonne, aber auch in unserer Atmosphäre erzeugt werden – bombardiert. Allein von der Sonne kommen 70 Milliarden Neutrinos pro Quadratzentimeter und Sekunde auf der Erde an. Dass sie keinen größeren Schaden anrichten, liegt an der extrem niedrigen Wahrscheinlichkeit, mit anderen Teilchen zu kollidieren: Neutrinos durchdringen die Erde nahezu wechselwirkungsfrei. Physikerinnen und Physiker interessieren sich für diese sehr geringen Wechselwirkungen, denn sie können Informationen über das Verhalten von Materie zu Antimaterie und über die Eigenschaften der Neutrinos liefern.

Gezielte Experimente in Japan und in den USA sollen Erkenntnisse zu diesen Fragen bringen. Dabei können Neutrinos auf der Erde unter kontrollierten Bedingungen erzeugt werden. So soll zum Beispiel in einem Beschleuniger am Fermilab bei Chicago (USA) ein Neutrino-Strahl erzeugt werden, der über eine Distanz von 1.300 Kilometern die Erde durchdringen und schließlich in großen Detektoren tief unter der Erde in einer ehemaligen Goldmine in Süd-Dakota nachgewiesen werden soll.

Der Neutrino-Strahl in dem sogenannten DUNE-Experiment, das 2030 anlaufen soll, hat viele verschiedene Energien, weil Neutrinos keine elektrische Ladung haben und deshalb nicht nach ihrer Energie unterschieden werden können. Für die Ergebnisse muss die genaue Energie der Neutrinos aber bekannt sein. Diese Information kann nur indirekt gewonnen werden, indem der Endzustand der Reaktion beobachtet wird. Hier setzt ein Forschungsprojekt am Institut für Theoretische Physik der JLU an. Seit etwa 20 Jahren entwickelt eine Arbeitsgruppe dort den Ereignisgenerator GiBUU (Giessen-Boltzmann-Uehling-Uhlenbeck Project). Ereignisgeneratoren erzeugen zufällig simulierte Ereignisse der Hochenergie-Teilchenphysik, wie sie in Teilchenbeschleunigern, Collider-Experimenten oder im frühen Universum auftreten.

Das Gießener Forschungsteam um Prof. Dr. Ulrich Mosel und Dr. Kai Gallmeister hat mit GiBUU eine Fülle von möglichen Reaktionen der Neutrinos mit dem Detektormaterial beschrieben und simuliert. Der Endzustand der Reaktion mit vielen auslaufenden Teilchen wird so in Abhängigkeit von der Energie des einlaufenden Neutrinos berechnet. Durch Vergleich mit dem Experiment kann dann die Neutrino-Energie „zurückgerechnet“ werden.

Bereits jetzt laufen Vorläufer-Experimente für DUNE am Fermilab. Die dort schon gewonnenen Daten sind nun mit Berechnungen von GiBUU verglichen worden. Die schon durchgeführten Analysen der experimentellen Gruppen deuten darauf hin, dass GiBUU allen anderen Ansätzen in der Beschreibung der Daten überlegen ist.

Originalpublikation
U. Mosel and K. Gallmeister: Lepton-induced reactions on nuclei in a wide kinematical regime, Phys. Rev. D 109, 033008 – Published 20 February 2024
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.033008
https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.109.033008

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• Neutrinos

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Quelle: JGU 10. August 2023.

10. August 2023 – Die Myon g-2 Kollaboration hat heute ein mit Spannung erwartetes brandneues Ergebnis ihrer Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons bekannt gegeben. Das Resultat ist konsistent mit dem Ergebnis der ersten Messrunde, die Genauigkeit des früheren Ergebnisses wird jedoch um den Faktor 2 verbessert. Diese bisher präziseste Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons wurde im Rahmen eines Seminars am Fermilab (FNAL) vorgestellt und bei der renommierten Fachzeitschrift Physical Review Letters zu Publikation eingereicht.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl, der seit 2019 im Bereich der Niederenergieteilchenphysik am Exzellenzcluster PRISMA⁺ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) forscht, ist die Einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen an der Myon g-2 Kollaboration beteiligt ist. Martin Fertl selbst hat bereits im Jahr 2014 als Postdoktorand an der University of Washington, Seattle, begonnen am Myon g-2 Experiment zu arbeiten, heute ist für ihn ein ganz besonderer Tag. „Der neue Wert, den wir heute verkünden konnten, untermauert das erste Ergebnis, das wir im April 2021 bekannt gegeben haben“, so Martin Fertl. „Er bringt die Teilchenphysik näher an den ultimativen Showdown zwischen Theorie und Experiment, der neue Teilchen oder Kräfte aufdecken könnte. Hierauf warten wir seit über 20 Jahren.“

Neues Ergebnis verdoppelt Präzision
Das neue experimentelle Ergebnis für g-2 (Erklärung s. unten) basiert auf den Daten der ersten drei Jahre seit 2018. Es enthält also die neu ausgewerteten Daten aus der zweiten und dritten Messrunde, sowie die bereits in 2021 publizierten Daten der ersten Runde. Insgesamt wurden dazu mehr als 40 Milliarden Myonen vermessen.
Das Resultat lautet:
g-2 = 0.00233184110  +/- 0.00000000043 (stat.) +/- 0.00000000019  (syst.)

Die Messung von g-2 entspricht damit einer Genauigkeit von insgesamt 200 Teilen in einer Milliarde – gegenüber 460 Teilen in einer Milliarde, die mit der Auswertung der ersten 6 Prozent der Daten erreicht und im April 2021 bekannt gegeben wurde. Mit der neuesten Messung hat die Myon g-2 Kollaboration bereits vorzeitig eines ihrer wichtigsten Ziele erreicht, nämlich eine bestimmte Art von Unsicherheit zu verringern: die durch experimentelle Unzulänglichkeiten verursachte Unsicherheit, die so genannte systematische Unsicherheit.

„Das ist eine großartige experimentelle Leistung“, freut sich Dr. René Reimann, Postdoc in der Arbeitsgruppe von Martin Fertl und gemeinsam mit Doktorand Mohammad Ubaidullah Hassan Qureshi maßgeblich an der Analyse des Magnetfelds in dem experimentellen Aufbau beteiligt. Während die systematische Unsicherheit mit 68 Teilen in einer Milliarde damit bereits unter dem gesteckten Ziel liegt, wird der größere Aspekt der Unsicherheit – die statistische Unsicherheit – durch die Menge der analysierten Daten bestimmt. So ergänzt das heute bekannt gegebene Ergebnis das erste Resultat bereits um weitere zwei Jahre an Daten. Das Fermilab-Experiment wird seine endgültige statistische Unsicherheit erreichen, wenn die Forschenden alle sechs Jahre an Daten in ihre Analyse einbezogen haben werden, was in den nächsten Jahren abgeschlossen werden soll. „Unser Ziel, am Ende mit dem neuen Myon g-2 Experiment eine insgesamt um den Faktor vier höhere Genauigkeit von 140 Teilen zu 1 Milliarde gegenüber dem Vorgängerexperiment am Brookhaven National Laboratory zu erzielen, erscheint damit sehr realistisch“, resümiert Mohammad Ubaidullah Hassan Qureshi.

Myonen als Testobjekte für Neue Physik – Was bedeutet g-2?
Physikerinnen und Physiker beschreiben die Funktionsweise des Universums auf seiner fundamentalsten Ebene mit einer Theorie, die als Standardmodell bekannt ist. Indem sie theoretische Vorhersagen auf der Grundlage des Standardmodells machen und sie mit experimentellen Ergebnissen vergleichen, können sie feststellen, ob die Theorie vollständig ist – oder ob es Physik jenseits des Standardmodells gibt. Das anomale magnetische Moment des Myons ist in dem Zusammenhang eine sehr wichtige Präzisionsgröße, welche einen der vielversprechendsten Tests des Standardmodells ermöglicht. Seit vielen Jahren gibt es hier eine Diskrepanz und die große Frage ist, ob diese „echt“ oder „lediglich“ Folge systematischer Unsicherheiten in Theorie und Experiment ist.

Myonen sind fundamentale Teilchen im Standardmodell, die den Elektronen ähneln, aber etwa 200 Mal so schwer sind und nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde leben. Wie das Elektron besitzt das Myon ein magnetisches Moment, eine Art inneren Miniatur-Stabmagnet, der in Gegenwart eines Magnetfelds wie die Achse eines Kreisels präzessiert oder wackelt. Die Präzessionsgeschwindigkeit in einem bestimmten Magnetfeld hängt vom magnetischen Moment des Myons ab, das in der Regel durch den Buchstaben g dargestellt wird; im einfachsten Fall sagt die Theorie voraus, dass g gleich 2 sein sollte.

Das Myon g-2-Experiment hat seinen Namen daher, dass das „g“ des Myons immer ein wenig – um etwa 0,1 Prozent – von der einfachen Erwartung g=2 abweicht. Diese Anomalie wird gemeinhin als das anomale magnetische Moment des Myons bezeichnet (a = (g-2)/2). Die Differenz von g zu 2 – oder g minus 2 – ist auf die Wechselwirkungen des Myons mit virtuellen Teilchen in einer Art Quantenschaum zurückzuführen, der es umgibt. Diese Teilchen, die in Sekundenbruchteilen ständig entstehen und wieder zerfallen greifen wie subatomare „Tanzpartner“ nach der „Hand“ des Myons und verändern die Art und Weise, wie das Myon mit dem Magnetfeld wechselwirkt. Das Standardmodell umfasst alle bekannten „Tanzpartner“-Teilchen und sagt voraus, wie der Quantenschaum g verändert. Aber es könnte noch mehr geben. Die Physik-Welt ist begeistert von der möglichen Existenz bisher unentdeckter Teilchen, die zum Wert von g-2 beitragen – und das Fenster zur Erforschung neuer Physik öffnen würden.

Rennbahn für Myonen
Das Myon g-2 Experiment vermisst die Rotationsfrequenz der „internen Kompassnadel“ der Myonen in einem Magnetfeld, sowie das Magnetfeld selbst und bestimmt daraus das anomale magnetische Moment. Der Myonenstrahl wird am Myonen-Campus des FNAL speziell für das Experiment erzeugt – er weist eine bisher nicht erreichte Reinheit auf.

Zur Durchführung der Messung schickte die Myon g-2 Kollaboration wiederholt diesen Strahl von Myonen in einen supraleitenden magnetischen Speicherring mit einem Durchmesser von 14 Metern, wo sie im Durchschnitt etwa 1.000 Mal mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umliefen. Mit Hilfe von Detektoren, die den Ring auskleiden, konnten die Forschenden feststellen, wie schnell sich die Kompassnadeln der Myonen relativ zu deren Flugbahnen bewegten. Die Physiker müssen auch die Stärke des Magnetfelds genau messen, um den Wert von g-2 zu bestimmen. Und genau hier liegt die Expertise von Martin Fertl und seiner Arbeitsgruppe: die extrem präzise Vermessung des Magnetfelds im Myonen-Speicherring über die gesamte mehrjährige Messzeit. Bereits an seiner früheren Wirkungsstätte leitete Martin Fertl dazu die Entwicklung einer Anordnung hochempfindlicher Magnetometer, die auf dem Prinzip der gepulsten Kernspinresonanz basieren. Mehrere hundert dieser Messköpfe sind in den Wänden der die Myonen umgebenden Vakuumkammern installiert. Weitere 17 Messköpfe umrunden ferngesteuert den Speicherring, der einen Durchmesser von 14 Metern hat, um das angelegte Magnetfeld noch umfassender zu vermessen. „Um unser Präzisions-Ziel zu erreichen, müssen wir in der Lage sein, das Magnetfeld, in dem sich die Myonen bewegen, auf 70 Teile zu 1 Milliarde genau zu vermessen“, rechnet Martin Fertl vor. Für das Fermilab-Experiment wurde ein Speicherring wiederverwendet, der ursprünglich für das Vorgängerexperiment am Brookhaven National Laboratory gebaut wurde, das 2001 abgeschlossen wurde. Im Jahr 2013 transportierte das Team den Speicherring 3.200 Meilen von Long Island, New York, nach Batavia, Illinois. Nach vierjährigen Aufbauarbeiten startete die Datennahme im Jahr 2018. Seither wurde das Experiment ständig weiter verbessert.

Neben den nun publizierten Messungen aus den ersten drei Jahren sammelte das Experiment für weitere drei Jahre Daten. Am 9. Juli 2023 schließlich schaltete die Kollaboration den Myonenstrahl ab und beendete das Experiment nach sechs Jahren der Datenerfassung. Im Ergebnis haben sie das Ziel erreicht, einen Datensatz zu sammeln, der mehr als 21 Mal so groß ist wie der Datensatz von Brookhaven.

Gibt es eine Abweichung von Theorie und Experiment?
Physikerinnen und Physiker können die Auswirkungen der bekannten „Tanzpartner“ des Standardmodells auf das anomale magnetische Moment des Myons mit unglaublicher Präzision berechnen. Die Berechnungen berücksichtigen die elektromagnetischen, schwachen und starken Kernkräfte, einschließlich Photonen, Elektronen, Quarks, Gluonen, Neutrinos, W- und Z-Bosonen und das Higgs-Boson. Wenn das Standardmodell korrekt ist, sollte diese ultrapräzise Vorhersage mit den experimentellen Messungen übereinstimmen. Die Berechnung der Vorhersage des Standardmodells für das Myon g-2 ist eine große Herausforderung. In der „Myon g-2 Theorie Initiative“ haben sich im Jahr 2017 daher mehr als 130 Physikerinnen und Physiker weltweit zusammengeschlossen, um sich dieser Herausforderung gemeinsam zu stellen, unter ihnen auch Prof. Dr Hartmut Wittig, theoretischer Physiker und zugleich Sprecher des Exzellenzclusters PRISMA⁺, der als Mitglied des Steering Committee die Mainzer Aktivitäten im Bereich der Theorie-Vorhersage vertritt. Im Jahr 2020 gab die Initiative die beste Vorhersage des Standardmodells für das Myon g-2 bekannt, die zu diesem Zeitpunkt verfügbar war. Doch eine neue experimentelle Messung der Daten, die in die Vorhersage einfließen, und eine neue Berechnung, die auf einem anderen theoretischen Ansatz – der Gittereichtheorie – basiert, stehen im Widerspruch zu der Berechnung von 2020. Die „Myon g-2 Theory Initiative“ strebt an, in den nächsten Jahren eine neue, verbesserte Vorhersage zu erstellen, die beide theoretischen Ansätze berücksichtigt.

Die Myon g-2 Kollaboration
An der Myon g-2-Kollaboration sind fast 200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus 33 Einrichtungen in sieben Ländern beteiligt, darunter fast 40 Studierende, die auf der Grundlage ihrer Arbeit an dem Experiment promoviert haben. Die Kollaboration wird nun die nächsten Jahre damit verbringen, die Daten der letzten drei Jahre zu analysieren und geht davon aus, die Präzision dabei nochmals um einen Faktor zwei zu verbessern. Sie rechnet mit der Veröffentlichung dieser endgültigen, präzisesten Messung des magnetischen Moments des Myons im Jahr 2025 – und damit mit dem ultimativen Showdown zwischen Theorie und Experiment des Standardmodells. Bis dahin werden die Physikerinnen und Physiker über eine neue und verbesserte Messung des g-2-Myons verfügen, die einen wichtigen Schritt in Richtung des endgültigen physikalischen Ziels darstellt.

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• physikalische Grundlagenforschung

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Quelle: Universität Bern.

27. Oktober 2021 – Neben Photonen sind Neutrinos die am häufigsten vorkommenden Elementarteilchen im Kosmos. Ihre Rolle etwa bei der Entwicklung des Universums ist von großer Bedeutung in der Physik. Bisher sind drei Arten von Neutrinos bekannt. Jedoch vermuteten Physikerinnen und Physiker eine bisher unentdeckte vierte Art von Neutrinos – sogenannte sterile Neutrinos – als vielversprechende Erklärung für bestimmte Anomalien in früheren Experimenten.

Neue Ergebnisse des sogenannten MicroBooNE-Experiments am Teilchenphysik-Forschungszentrum Fermilab nahe Chicago (USA) versetzen den theoretischen Elementarteilchen nun einen Schlag: vier komplementäre Studien der internationalen MicroBooNE-Kollaboration, die heute im Rahmen eines Seminars vorgestellt wurden, zeigen keinen Hinweis für die tatsächliche Existenz der sterilen Neutrinos. Stattdessen stimmen die Ergebnisse mit dem Standardmodell der Teilchenphysik überein, der bisher besten physikalischen Theorie über die Funktionsweise des Universums. «Wir haben sehr umfassende Untersuchungen mehrerer Arten von Neutrino-Wechselwirkungen durchgeführt. Alle sagen uns dasselbe: Es gibt keine Hinweise für die Existenz von sterilen Neutrinos», sagt Michele Weber, wissenschaftlicher Leiter des MicroBooNE-Experiments und Professor für experimentelle Teilchenphysik der Universität Bern.

Die Jagd nach den «Geisterteilchen»
Neutrinos werden von verschiedenen Quellen produziert, einschließlich der Sonne, der Atmosphäre, Kernreaktoren und Teilchenbeschleunigern. Da sie aber selten mit anderer Materie interagieren, sind sie schwer nachzuweisen, und werden deshalb auch als «Geisterteilchen» bezeichnet. Dennoch können sie mit Teilchendetektoren indirekt sichtbar gemacht und untersucht werden.

Neutrinos gibt es in drei bekannten Arten: dem Elektron-, Myon- und Tau-Neutrino. Sie können zwischen diesen Arten auf besondere Weise hin- und herwechseln, was als «Neutrino-Oszillation» bezeichnet wird. In den 1990er-Jahren bei einem Experiment in den USA wurden zur Untersuchung dieser Neutrino-Oszillation mehr Teilchenwechselwirkungen beobachtet als theoretisch erwartet. Die Existenz einer vierten Neutrino-Art, den sterilen Neutrinos, wurde eine beliebte Erklärung dieser seltsamen Ergebnisse. Dieses hypothetische Teilchen wäre jedoch noch schwerer zu fassen als seine «Kollegen» und würde nur auf die Schwerkraft reagieren. Mit der damaligen Detektor-Technologie wäre es jedoch gar nicht möglich gewesen, ein solches Neutrino nachzuweisen. Daher wurde 2007 die Idee zu MicroBooNE geboren.

MicroBooNE: Teilchendetektor mit Berner Präzisionstechnologie
Seit 2015 ist MicroBooNE in Betrieb. Der Teilchendetektor, der auf neusten Technologien basiert, ist in einem 12 Meter langen zylindrischen Behälter untergebracht, der mit 170 Tonnen reinem flüssigen Argon befüllt ist. Dank des Detektors können die fast 200 Mitarbeitenden der MicroBooNE-Kollaboration spektakulär präzise 3D-Bilder von Neutrinoereignissen aufnehmen und so die Wechselwirkungen im Detail studieren. «Diese Flüssig-Argon-Technologie haben wir hier an der Universität Bern mitentwickelt und auch beim Bau von MicroBooNE hat unsere Gruppe mitgearbeitet», erklärt Igor Kreslo, Professor am Labor für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern. Zudem wurde am Laboratorium für Hochenergiephysik und am Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern ein Kalibrations-System entwickelt und eine Detektorkomponente für den Nachweis von kosmischen Strahlen gebaut, die zentral sind für die Präzision der Ergebnisse von MicroBooNE.

Wichtiges Nullresultat öffnet viele Türen
Die ersten drei Jahre der Daten von MicroBooNE wurden nun ausgewertet – und zeigen keine Spur von sterilen Neutrinos. Gemäß Michele Weber ist dies ein spannender Wendepunkt in der Neutrinoforschung: «Natürlich sind Entdeckungen spannender als Nullresultate – aber diese sind umso wichtiger. Wir können nun die wahrscheinlichste Erklärung für die Anomalien weitestgehend ausschließen und andere – komplexere und vielleicht interessantere – Möglichkeiten untersuchen.» Die Hälfte der Daten von MicroBooNE ist noch auszuwerten und die Möglichkeiten zur Erklärung der Anomalien sind vielfältig: «Dazu gehören so faszinierende Dinge wie Licht, das durch neuartige Prozesse bei Neutrinokollisionen erzeugt wird, oder so exotische wie die dunkle Materie», sagt Weber. Der MicroBooNE-Teilchendetektor ermöglicht es den Forschenden, weitere Arten von Teilchenwechselwirkungen zu untersuchen.

Die Zukunft der Neutrino-Forschung
MicroBooNE gehört zu einer ganzen Reihe von Neutrino-Experimenten, die nach Antworten suchen. Die Grundlagen, die mit MicroBooNE geschaffen werden, sind für die weiteren Experimente unerlässlich. Entscheidend ist beispielweise, dass sich die Flüssig-Argon-Technologie bewährt hat, da sie auch im Deep Underground Neutrino Experiment DUNE verwendet wird. DUNE ist ein internationales Flaggschiff-Experiment am Fermilab, an dem bereits mehr als 1.000 Forschende aus über 30 Ländern beteiligt sind. DUNE wird Oszillationen untersuchen, indem Neutrinos unter der Erde zu 1.300 Kilometer entfernten Detektoren am Sanford Lab in South Dakota (USA) geschickt werden. Die Universität Bern steuert die Hauptkomponente des sogenannten DUNE «near detector» bei, der Neutrinos unmittelbar nach ihrer Entstehung nachweisen soll. Der «ArgonCube», wie dieser spezielle Detektor genannt wird, wurde komplett in Bern konzipiert, entwickelt und auch bereits als Prototyp gebaut.

MicroBooNE wird vom U.S. Department of Energy, der U.S. National Science Foundation, dem Schweizerischen Nationalfonds, dem U.K. Science and Technology Facilities Council, der U.K. Royal Society und Horizon 2020 der Europäischen Union unterstützt.

Fermilab und die Universität Bern
Zwischen Fermilab und der Universität Bern besteht seit 2019 eine Vereinbarung über die Zusammenarbeit bei Neutrino-Experimenten. Es ist das erste Abkommen zwischen einer Schweizer Universität und Fermilab, einem der weltweit führenden Labors für Teilchenphysik.
Der Beitrag der Universität Bern an der wissenschaftlichen Zusammenarbeit umfasst drei Projekte: MicroBooNE, SBND und das Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), das als das ultimative Neutrino-Observatorium der Welt gilt.
Mehr zur Zusammenarbeit zwischen Fermilab und der Universität Bern

Albert Einstein Center for Fundamental Physics
Das Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) wurde 2011 gegründet. Sein Ziel ist es, Forschung und Lehre in der Grundlagenphysik an der Universität Bern auf höchster Ebene zu fördern. Der Schwerpunkt liegt auf der experimentellen und theoretischen Teilchenphysik und ihren Anwendungen (z.B. Medizinphysik), sowie auf den damit verbundenen Spin-off- und Outreach-Aktivitäten.
Das AEC wurde unter Mitwirkung des Instituts für Theoretische Physik (ITP) und des Labors für Hochenergiephysik (LHEP) der Universität Bern gegründet. Mit seinen über 100 Mitgliedern ist das AEC eine der größten universitären Gruppen von Forschenden, die in der Schweiz auf dem Gebiet der Teilchenphysik arbeiten, und ein starker Akteur auf internationaler Ebene.
Mehr über das AEC

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• Neutrinos

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

Ein gemeinsames Forschungsprojekt der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU), der Universität Siegen, des Forschungszentrums Jülich und des Elettra-Synchrotrons in Triest hat einen neuen Meilenstein für die ultraschnelle Kontrolle des Magnetismus erreicht. Das internationale Team arbeitet an Magnetisierungskonfigurationen, die eine chirale Drehung aufweisen. Chiralität ist ein Symmetriebruch, der beispielsweise in der Natur in Molekülen vorkommt, die für das Leben essenziell sind. Die Chiralität wird auch als Händigkeit bezeichnet, da Hände ein häufiges Beispiel aus dem Alltag sind, die sich bei spiegelverkehrter Anordnung nicht überlagern lassen. Magnetisierungskonfigurationen mit fester Chiralität werden aufgrund ihrer faszinierenden Eigenschaften, wie verbesserter Stabilität und effizienter Manipulation durch Strom, intensiv untersucht. Somit versprechen diese magnetischen Texturen Anwendungen auf dem Gebiet der ultraschnellen chiralen Spintronik, zum Beispiel für ultraschnelles Schreiben und Steuern von chiralen topologischen magnetischen Objekten wie magnetischen Skyrmionen, also speziellen verdrehten Magnetisierungskonfigurationen mit aufregenden Eigenschaften.

Die in Nature Communications veröffentlichten neuen Erkenntnisse geben Aufschluss über die ultraschnelle Dynamik von chiralen Spinstrukturen nach optischer Anregung im Vergleich zu kollinearen Spinstrukturen. Nach den Erkenntnissen der Forscher wird die chirale Ordnung nach Anregung durch einen Infrarotlaser schneller wiederhergestellt als die kollineare Ordnung.

Das Team führte Kleinwinkel-Röntgenstreuungsexperimente an magnetischen Dünnschichtproben, die chirale Magnetkonfigurationen stabilisieren, durch. Die Experimente erfolgten an einem Freien-Elektronen-Laser (FEL) an der FERMI-Anlage in Triest, Italien. Die Einrichtung bietet die einzigartige Möglichkeit, die Magnetisierungsdynamik mit Femtosekunden-Zeitauflösung unter Verwendung von zirkularem links- beziehungsweise rechts-polarisiertem Licht zu untersuchen. Die Ergebnisse zeigen eine schnellere Wiederherstellung der chiralen Ordnung im Vergleich zu kollinearen Strukturen, das heißt Verdrehungen sind stabiler als gerade ausgerichtete magnetische Konfigurationen.

Kooperation mit führenden internationalen Partnern als Eckpfeiler erfolgreicher Forschung
„Dies ist ein großartiger Moment, da wir lange daran gearbeitet haben, diese Studie abzuschließen. Jetzt, da wir wissen, dass die ultraschnelle Dynamik chiraler und kollinearer Spinstrukturen unterschiedlich ist, können wir uns darauf konzentrieren, die Abhängigkeit der ultraschnellen Dynamik von den Materialeigenschaften in Angriff zu nehmen, so wie zum Beispiel die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, eine Wechselwirkung, die zur Stabilisierung chiraler Spinstrukturen führen kann“, sagt Nico Kerber von der JGU, Erstautor des Artikels.

„Wir sind unseren italienischen Kollegen besonders dankbar, die einen Teil des Experiments während des Corona-Lockdowns in Europa durchgeführt haben. Diese zusätzlichen Scans waren für unsere Studie von entscheidender Bedeutung und wir freuen uns, dass hier Video-Unterstützung und der Postversand von Proben funktioniert haben. Wir freuen uns aber auch darauf, solche Experimente wieder persönlich mit unseren Kollegen am FERMI durchführen zu können“, hebt Prof. Dr. Christian Gutt von der Universität Siegen hervor, korrespondierender Autor des Artikels.

„Ich freue mich sehr über den nächsten Schritt, der unternommen wurde, um die Verwendung chiraler Magnetisierungskonfigurationen in neuartigen Spintronik-Geräten zu ermöglichen. Die internationale Zusammenarbeit mit großen Einrichtungen wie FERMI ist entscheidend, um solche Arbeiten durchzuführen, und solche Kooperationen sind ein Eckpfeiler unseres Graduiertenschulen-Programms und unserer Forschungszentren“, betont Prof. Dr. Mathias Kläui, Betreuer des Erstautors und Direktor des Profilbereichs Dynamik und Topologie (TopDyn) an der JGU. „Mit Mitteln des Sonderforschungsbereichs SFB/TRR 173 Spin+X, der Graduiertenprogramme Materialwissenschaften in Mainz, des Max Planck Graduate Center mit der Johannes Gutenberg-Universität Mainz und des Profilbereichs TopDyn fördern wir diese Kooperationen.“

Veröffentlichung
Nico Kerber et al.: Faster chiral versus collinear magnetic order recovery after optical excitation revealed by femtosecond XUV scattering
Nature Communications, 9. Dezember 2020
DOI: 10.1038/s41467-020-19613-z

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• Neues vom Fermilab

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Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz.

29. Juni 2020 – Seit vielen Jahren gibt es eine Abweichung zwischen dem experimentell gemessenen Wert des anomalen magnetischen Moments des Myons und seiner aktuellen theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik. Die letzte Messung wurde vor 15 Jahren am Brookhaven National Laboratory durchgeführt. Ziel weltweiter Forschungen ist es herauszufinden, ob diese Abweichung „echt“ ist oder „lediglich“ Folge systematischer Unsicherheiten in Theorie und Experiment. Dazu müssen beide Werte noch präziser als bisher bestimmt werden. Für die theoretische Vorhersage haben mehr als 130 Physiker weltweit nun erstmals einen gemeinsamen Standard gesetzt und sich auf einen neuen theoretischen Wert verständigt.

Das Myon ist eines der elementaren Teilchen im Standardmodell – bis auf die 200mal größere Masse besitzt es ähnliche Eigenschaften wie sein leichter Verwandter, das Elektron. Das magnetische Moment des Myons ist durch quantentheoretische Effekte eine Winzigkeit größer als die berühmte Berechnung von Paul Dirac aus den 1920er Jahren. Eine weitere Besonderheit: Aktuell lässt das magnetische Moment des Myons nach Berücksichtigung aller Quanteneffekte der elektromagnetischen, schwachen und starken Wechselwirkung eine Diskrepanz zwischen der Theorie des Standardmodells und dem Experiment stark vermuten.

Das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons ist eine der Schlüsselinitiativen des Exzellenzclusters PRISMA+: Schlussendlich verbirgt sich dahinter die spannende Frage, ob es Abweichungen vom Standardmodell und damit Hinweise auf eine neue Physik jenseits des Standardmodells gibt. „In den Jahren seit der Brookhaven Messung ist es nicht gelungen, die Situation letztlich zu klären“, beschreibt Prof. Dr. Hartmut Wittig, einer der Autoren der neuen Veröffentlichung und zugleich Sprecher von PRISMA+, die aktuelle Situation. „Der Unterschied zwischen Theorie und Experiment ist zu klein, um daraus zweifelsfrei eine echte Abweichung abzuleiten und damit das Standardmodell zu falsifizieren. Dennoch ist er zu groß, um ihn einem Zufallseffekt zuzuschreiben.“

Aktuell erwartet die Forscher-Community mit Spannung das Ergebnis einer neuen Messung am Fermilab – diese soll um den Faktor vier genauer sein als die bisherige Messung. Seit letztem Jahr ist die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl an diesem Experiment als offizieller Partner beteiligt. „Mit dieser Steigerung der Präzision müssen wir auch in der Theorie Schritt halten“, beschreibt Hartmut Wittig die Herausforderung. Zu diesem Zweck wurde 2017 die „Muon g-2 Theory-Initiative“ ins Leben gerufen – ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikern, an der von Mainzer Seite Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Prof. Dr. Hartmut Wittig sowie weitere Mitglieder ihrer Arbeitsgruppen beteiligt sind. Ihr Ziel: Alle Aspekte, die in die Berechnung einfließen hinsichtlich ihrer Unsicherheiten zu bewerten und einen einzigen Wert zu empfehlen, mit dem neue experimentelle Ergebnisse verglichen werden sollten. „Das haben wir nun erreicht und unser Ergebnis kürzlich veröffentlicht“, kommentieren die Mainzer Wissenschaftler. „Verschiedene Ansätze, die bisher in unterschiedlichen Gruppen weltweit getrennt verfolgt wurden, münden nun in einen einzigen Vorhersagewert – durch diese Synthese haben wir die bisher verlässlichste und präziseste Vorhersage für das anomale magnetische Moment des Myons erhalten.“

Zahlreiche Mainzer Beiträge
Der Wert für das anomale magnetische Moment des Myons setzt sich aus verschiedenen Bestandteilen zusammen. Die Effekte der starken Wechselwirkung sind dabei am schwierigsten verlässlich vorherzusagen und aktuell mit der größten Unsicherheit behaftet. Zwei spezielle Effekte – die hadronische Vakuumpolarisation und die hadronische Licht-an-Licht-Streuung – stehen daher in dem jetzt veröffentlichen Papier im Fokus. Die Wissenschaftler nähern sich ihnen mit unterschiedlichen theoretischen Ansätzen – aktuelle Fortschritte in diesen Bereichen führen zu immer weiter verfeinerten Ergebnissen. Auch die experimentell gewonnenen Daten aus Streuexperimenten an Teilchenbeschleunigern sind für die theoretische Vorhersage ein wichtiger Input.

Mainzer Physiker sind an fast all diesen Facetten und Aspekten, die in der Veröffentlichung thematisiert werden, beteiligt. Zudem ist auch mit dem neuen Referenzwert das letzte Wort aus ihrer Sicht noch nicht gesprochen und so arbeiten die Mainzer Gruppen intensiv daran, die aktuelle Vorhersage noch weiter zu präzisieren. Sie alle erwarten mit großer Spannung den neuen experimentellen Wert: „Dann werden wir hoffentlich sagen können, ob uns das Myon die Tür zu einer neuen Physik öffnet oder nicht.“

Veröffentlichung:
T. Aoyama et al., The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model https://arxiv.org/abs/2006.04822

Weiterführende Links:
https://wwwth.kph.uni-mainz.de/ – Theoriegruppe am Institut für Kernphysik der JGU
https://muon-g-2.fnal.gov/ – Das „Myon g-2 Experiment“ am Fermilab
https://news.fnal.gov/2020/06/physicists-publish-worldwide-consensus-of-muon-magnetic-moment-calculation/ – englische Pressemeldung des Fermilab

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• Neues vom Fermilab

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