Quelle: Johannes Gutenberg-Universität Mainz 11. Dezember 2023.

11. Dezember 2023 – Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Matthias Schott vom Exzellenzcluster PRISMA+ der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) hat heute die Ergebnisse einer umfangreichen Messreihe am ATLAS Detektor des Large Hadron Collider (LHC) veröffentlicht. Die Daten wurden während der zweiten Laufzeit des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgenommen. Ziel des experimentell anspruchsvollen Messprogramms ist die Suche nach axionartigen Teilchen, die bei bestimmten Zerfällen des Higgs-Teilchen entstehen könnten – und als neuartige Teilchen die Abweichung des experimentell bestimmten anomalen magnetischen Moments des Myons von seiner theoretischen Vorhersage erklären könnten. Die Arbeiten werden durch einen ERC Consolidator Grant von Matthias Schott finanziert. Sie stellen den experimentellen Test eines von Prof. Dr. Matthias Neubert, theoretischer Physiker und Sprecher von PRISMA+, entwickelten Axionen-Modells dar und sind so ein ideales Beispiel für das wertvolle Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment am Standort Mainz.

Axionen sind hypothetische Elementarteilchen, die zunächst postuliert wurden, um eine theoretische Unzulänglichkeit der starken Wechselwirkung, das sogenannte starke CP Problem, zu lösen. Seit vielen Jahren werden Axionen oder axionartige Teilchen (axion-like particles oder ALPs) darüber hinaus als vielversprechende Kandidaten der dunklen Materie gehandelt. „Vor diesem Hintergrund haben Physikerinnen und Physiker zahlreiche Experimente entwickelt, um vor allem nach sehr leichten ALPs zu suchen“, erläutert Prof. Dr. Matthias Schott. „Wir haben erstmals ein detailliertes Forschungsprogramm am ATLAS-Experiment des LHC vorgeschlagen und umgesetzt, mit dem wir gezielt nach relativ schweren ALPs suchen – diese wiederum könnten das Rätsel um das anomale magnetische Moment des Myons erklären, so wie Matthias Neubert es in einem vor einigen Jahren entwickelten Modell aufgezeigt hat.“ Gemeinsam mit Martin Bauer und Andrea Thamm postulierte Neubert 2017, dass mit ATLAS ein sehr großer Bereich passender Axionenmassen mit sehr hoher Empfindlichkeit abgesucht werden könnte. Für Matthias Schott war dies der Ausgangspunkt zur erfolgreichen Beantragung des ERC Grant: „Ich habe nun mit meiner Gruppe im Rahmen dieses ERC Grant einen großen Teil des Parameter-Raums des Neubert`schen Modells getestet und wir sind sehr froh, dass wir nun erste Ergebnisse veröffentlichen können.“ Matthias Neubert wiederum hat den zu erwartenden Effekt von ALPs auf das Myonmoment inzwischen in einer aktuellen Veröffentlichung mit Anne Galda noch einmal präzisiert.

Eine innovative experimentelle Leistung
Der Messreihe liegt die Überlegung zugrunde, dass potentielle ALPs sowohl an das Myon als auch an Photonen koppeln müssen, um die Anomalie beim magnetischen Moment des Myons zu erklären. Konkret haben die Forschenden eine theoretisch postulierte Zerfallskette untersucht, bei der ein Higgs-Teilchen zunächst in zwei ALPs, und diese wiederum in jeweils zwei Photonen zerfallen (H→aa→4γ). Ziel war es, in diese Kette die Kopplung der ALPs an die Photonen nachzuweisen. „Wir haben dabei keine auffälligen Signale gefunden, die auf entsprechende ALPs hinweisen könnten“, erläutert Matthias Schott. „In dem untersuchten Bereich können wir so eine Axion-Photon Kopplung mit allergrößter Wahrscheinlichkeit ausschließen.“ Da die Forschungsgruppe aber erstmals einen sehr großen Parameterbereich absuchen konnte und vor allem hinsichtlich der Kopplungsstärke um sechs Größenordnungen empfindlicher war als bisherige Messungen, ist es ihnen gelungen, die bisher strengsten Ausschlussgrenzen für Masse und Kopplungsstärke von ALPs zu setzen.

Das Besondere an dieser Messung ist, dass hierbei ALPs potentiell über die Higgs-Physik nachgewiesen werden können. Sie wird im Hochenergiebereich der Teilchenphysik durchgeführt und kann somit die Diskrepanz im anomalen magnetischen Myonmoment über die Umwandlung von Hochenergieteilchen aufspüren. Das ist ein komplementärer Ansatz zur direkten Messung der Eigenschaften des Myons im Niederenergiebereich im Rahmen des Myon g-2 Experiments, und macht ihn gerade deshalb so spannend.“

Neue Analyse-Algorithmen beruhen auf künstlicher Intelligenz
Der Zerfallsprozess, den die Gruppe um Matthias Schott untersucht hat, ist vor allem deshalb experimentell sehr anspruchsvoll, weil die nachzuweisenden Photonen aus dem ALP-Zerfall nicht am Kollisionspunkt des Detektors entstehen. „Bei normalen Teilchen-Kollisionen treffen sich die Teilchen immer genau in der Mitte des Detektors. Und für alle neuen Teilchen, die in dieser Kollision entstehen, nehmen wir typischerweise an, dass ihre Reise direkt am Kollisionspunkt beginnt. Die normalen Algorithmen und Kalibrationen die wir haben, basieren genau auf dieser Hypothese“, erläutert Matthias Schott. „Wenn nun aber neue Teilchen entstehen, welche lange genug „leben“ dann fliegen diese Teilchen erst einmal ein Stück bevor sie zerfallen. Damit gilt unsere ursprüngliche Annahme nicht mehr und wir müssen völlig neue Ansätze entwickeln, um auch Teilchen im Detektor zu sehen, welche eben nicht vom Kollisionspunkt stammen.“ Konkret zerfällt das Higgs-Teilchen im Modell von Matthias Neubert zunächst in zwei ALPs und zwar sofort an der Stelle der Teilchen-Kollision. Die ALPs fliegen aber eine Weile, bevor sie in je zwei Photonen zerfallen, so dass diese Photonen abseits des Kollisionspunktes produziert werden. „Wir nennen dies Ereignisse mit einem „displaced Vertex“ – einem verschobenen Kollisionspunkt sozusagen. Eine solche Messung ist uns nun erstmals mit Photonen gelungen.“

Hinzu kommt eine weitere Herausforderung: Wenn die ALPs vergleichsweise leicht sind, sind die Photonen, in die sie zerfallen, sehr nahe zusammen. Der Detektor nimmt die beiden Photonen als ein einziges Photon war – es sei denn, es gibt einen neuen Algorithmus, der genau darauf trainiert ist: der also Photonen, die eigentlich als ein Photon rekonstruiert wurden, doch als zwei Photonen erkennen kann. „Einen solchen Algorithmus konnten wir unter Verwendung künstlicher Intelligenz in Form von neuronalen Netzwerken entwickeln und so Signale von hochgradig kollinearen Photonen erfolgreich auflösen.“

Doch es geht noch weiter: Selbst mit den speziell entwickelten Algorithmen, mit denen die Forscher einen sehr großen Suchbereich abdecken können, können sie nicht alle ALPs, die sie ins Visier nehmen wollen, „erwischen“. Um auch diese Lücke zu schließen, wollen sie das inzwischen in Betrieb gegangene FASER Experiment in einem Seitentunnel des LHC etwa 480 Meter hinter dem ATLAS-Experiment nutzen.

Das Myon als Testlabor für neue Physik
Erst kürzlich hat die Myon g-2 Kollaboration am Fermilab einen neuen Messwert für das anomale magnetische Moment verkündet, der doppelt so genau ist, wie der bisherige. Die PRISMA+-Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Martin Fertl ist die einzige in Deutschland, die mit experimentellen Beiträgen beteiligt ist. Das Pendant ist die Myon g-2-Theorie-Initiative, ein weltweiter Zusammenschluss von mehr als 130 Physikerinnen und Physikern, der sich mit der theoretischen Vorhersage im Rahmen des Standardmodells befasst. Auch hier liefern die Mainzer Arbeitsgruppen von Prof. Dr. Achim Denig, Prof. Dr. Harvey Meyer, Prof. Dr. Marc Vanderhaeghen und Prof. Dr. Hartmut Wittig zahlreiche wichtige Beiträge – von der Messung experimenteller Input-Größen bis hin zur hochpräzisen Berechnung der Beiträge der starken Wechselwirkung mit den Methoden der Gitter-Quantenchromodynamik auf dem Mainzer Großrechner MOGON-II.

Aufgrund neuester Rechnungen ist nach wie vor nicht eindeutig geklärt, ob es eine echte Abweichung zwischen Theorie und Experiment gibt und wenn es sie gibt, mit welchen theoretischen Ansätzen sie zu erklären wäre. Es demonstriert aber einmal mehr die große Expertise des Mainzer Cluster PRISMA+ bei der Suche nach neuer Physik – und hier insbesondere beim Wechselspiel zwischen Theorie und Experiment sowie der Nutzung komplementärer Methoden zur Beantwortung der großen Fragen der modernen Physik. „Unsere heute veröffentlichte Arbeit ist hier ein wichtiger Beitrag, gleichwohl sie zeigt, dass der Raum für Modelle neuer Physik, die wir experimentell testen können, immer kleiner wird“, ordnet Matthias Schott das Ergebnis ein. „Bezogen auf ALPs sind diese nach wie vor vielversprechende Kandidaten für dunkle Materie, als Verursacher einer Diskrepanz beim magnetischen Moment des Myons können wir sie jedoch mit sehr großer Wahrscheinlichkeit ausschließen.“

Publikationen:
Galda, A.M., Neubert, M. ALP-LEFT Interference and the Muon (g − 2). J. High Energ. Phys. 2023, 15 (2023)
DOI: JHEP11(2023)015
https://link.springer.com/article/10.1007/JHEP11(2023)015

ATLAS Collaboration, Search for short- and long-lived axion-like particles in H→aa→4γ decays with the ATLAS experiment at the LHC, 6. Dezember 2023
arXiv:2312.03306 [hep-ex]
https://arxiv.org/abs/2312.03306

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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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Quelle: JGU 21. Oktober 2022.

21. Oktober 2022 – Das anomale magnetische Moment des Myons ist eine wichtige Präzisionsgröße, um das Standardmodell der Teilchenphysik zu testen. Im letzten Jahr sorgte eine neue Messung für Aufsehen, da sie eine beträchtliche Abweichung zur theoretischen Vorhersage bestätigte: Das anomale magnetische Moment ist größer als erwartet.

Die theoretische Vorhersage berechnen Physikerinnen und Physiker auf Basis des aktuell gültigen Standardmodells der Teilchenphysik. Im Jahr 2020 hatte sich die „Myon g-2 Theorie Initiative“ – ein Zusammenschluss von 130 Physikerinnen und Physiker mit starker Mainzer Beteiligung – auf einen Wert verständigt, der seither die Bezugsgröße ist. Nun haben mehrere Gruppen – darunter die Gruppe von Prof. Dr. Hartmut Wittig vom Mainzer Exzellenzcluster PRISMA+ – neue und präzisere Berechnungen des Beitrags der starken Wechselwirkung auf Basis von Gitter QCD-Rechnungen vorgelegt und veröffentlicht. Im Ergebnis scheint sich der theoretische Wert dem Experiment anzunähern. „Wenn die Lücke zwischen theoretischer Vorhersage und Experiment tatsächlich kleiner ausfallen sollte, wäre das immer noch eine deutliche Abweichung“, ordnet Hartmut Wittig das Ergebnis ein. „Zunächst müssen wir aber vor allem verstehen, warum verschiedene theoretische Ansätze unterschiedliche Ergebnisse liefern.“

Es gibt etwas Neues zu verstehen
Mit Ausnahme der Schwerkraft tragen alle fundamentalen Wechselwirkungen zum anomalen magnetischen Moment des Myons bei. Die starke Kraft, die zwischen den elementaren Bausteinen der Materie, den Quarks, wirkt und durch Gluonen als Austauschteilchen vermittelt wird, ist besonders wichtig, um das Standardmodell zu testen. Sie trägt unter anderem in Form der hadronischen Vakuumpolarisation (HVP), bei der Quark-Antiquark-Paare ständig für Sekundenbruchteile aus dem Vakuum entstehen und wieder verschwinden, zum Magnetismus des Myons bei. „Sie ist allerdings extrem komplex und die Unsicherheit der theoretischen Vorhersage wird daher von den Effekten der starken Wechselwirkung dominiert“, erklärt Hartmut Wittig. Da die gängigen Rechenmethoden entweder nicht anwendbar sind oder bisher nicht genau genug waren, wurde der Beitrag der hadronischen Vakuumpolarisation in dem aktuellen Konsenspapier unter Zuhilfenahme experimenteller Daten bestimmt, die an verschiedenen Beschleunigern gemessen wurden.

Idealerweise möchte man hadronische Beiträge wie die HVP auf Basis der fundamentalen Theorie der Quantenchromodynamik (QCD) berechnen. Dieser Ansatz kommt vollkommen ohne experimentelle Daten aus, benötigt aber ein Rechenverfahren, das die starke Wechselwirkung mathematisch exakt bei niedrigen Energien beschreiben kann. Dazu greifen die Mainzer Wissenschaftler auf die Gitterfeldtheorie zurück. Ähnlich wie in einem Kristall verteilen sie die Quarks auf die Punkte eines Raum-Zeit-Gitters. Mit numerischen Simulationsverfahren lassen sich dann die hadronischen Beiträge zum anomalen magnetischen Moment des Myons mit Supercomputern berechnen.

„Noch bis vor wenigen Jahren waren Gitter-QCD-Rechnungen aufgrund der hohen technischen Herausforderungen nicht in der Lage, die hadronischen Beiträge mit der nötigen Genauigkeit zu berechnen. Inzwischen haben wir große Fortschritte erzielt und die Methode soweit verfeinert, dass sie hinsichtlich der Präzision mit dem Ansatz, der auf experimentelle Daten zurückgreift, mithalten kann“, sagt Hartmut Wittig. In dem nun veröffentlichten Artikel rechnen sie einen Teil der hadronischen Vakuumpolarisation aus, der sich hervorragend dazu eignet, die Konsistenz verschiedener Gitterrechnungen untereinander zu prüfen und mit dem Ergebnis der traditionellen Methode unter Zuhilfenahme experimenteller Daten zu vergleichen. „Da unser Ergebnis genauso präzise wie die klassische Methode ist, können wir sagen, dass Gitter QCD Rechnungen inzwischen ihre Feuertaufe bestanden haben. Das alleine ist ein enormer Erfolg. Zudem verdichten sich die Hinweise, dass die Berechnung auf Basis der QCD in der Tat mit den kürzlich vorgestellten Ergebnissen anderer Gruppen übereinstimmen.“

Doch zurück zum anomalen magnetischen Moment des Myons: „Durch die neuen Gitter-Rechnungen verdichten sich die Hinweise, dass der Wert der theoretischen Vorhersage dichter an den gemessenen Wert heranrücken könnte. Das hat in Fachkreisen für großes Aufsehen gesorgt“, berichtet Hartmut Wittig. „Der Fokus liegt nun vor allem auf der Frage warum unterschiedliche Rechenmethoden unterschiedliche Ergebnisse liefern. Aber auch die Abweichung zwischen Theorie und Experiment verschwindet mit den neuen Rechnungen ja nicht. Egal wie man es betrachtet: Wir kommen nicht um die Tatsache herum, dass es eine erklärungsbedürftige Diskrepanz beim anomalen magnetischen Moment des Myons gibt. Für uns gibt es da noch viel Neues zu verstehen.“

Veröffentlichung:
M. Cè, A.Gérardin, G. von Hippel, R. J. Hudspith, S. Kuberski , H. B. Meyer, K. Miura, D. Mohler , K. Ottnad, S. Paul, A. Risch, T. San José, H. Wittig, Window observable for the hadronic vacuum polarization contribution to the muon g-2 from lattice QCD, arXiv:2206.06582v1 [hep-lat], https://arxiv.org/abs/2206.06582, pdf: https://arxiv.org/pdf/2206.06582.

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Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg.

13. April 2022 – Es ist ruhig geworden um den Large Hadron Collider LHC, einen Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum CERN in Genf – zumindest in der Öffentlichkeit. Im Jahr 2008 in Betrieb gegangen, war es anfangs wesentliches Ziel, mit Hilfe des 27 Kilometer langen Rings aus supraleitenden Magneten das viele Jahrzehnte gesuchte Higgs-Teilchen nachzuweisen und zu vermessen. Das ist im Jahr 2012 gelungen; die beiden Physiker, die dessen Existenz vorhergesagt hatten, erhielten 2013 den Nobelpreis in Physik.

Dass der LHC in den vergangenen Monaten in den Medien nicht mehr präsent war, hat einen simplen Grund: Seit Januar 2019 ruht der Betrieb. Während des planungsmäßigen Shutdowns wird bis Mitte 2022 intensiv an technischen Verbesserungen gearbeitet. Während die Protonen bislang mit der zuvor nie erreichten Energie von 13 Teraelektronenvolt (TeV) kollidierten, sollen demnächst Energien von 14 TeV erreicht werden und die Anzahl der Ereignisse pro Sekunde deutlich erhöht werden. Damit sind dann neue Einblicke in die Welt der Elementarteilchen und auch in die Geschichte unseres Universums möglich.

Drittmittel in Höhe von 1,5 Millionen Euro eingeworben
An der Entwicklung und am Bau der neuen „Ausbaustufe“ des Teilchenbeschleunigers beteiligt waren auch Physiker der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU): Professor Thomas Trefzger, Inhaber des Lehrstuhls für Physik und ihre Didaktik, Professor Raimund Ströhmer vom gleichen Lehrstuhl und Professor Ansgar Denner als Vertreter der Theoretischen Physik. Beim Bundesforschungsministerium haben sie dafür Drittmittel in Höhe von insgesamt rund 1,5 Millionen Euro eingeworben.

„Wir waren dafür verantwortlich, für das ATLAS-Experiment am LHC wichtige Bauteile zu konstruieren“, erklärt Thomas Trefzger. Der ATLAS-Detektor ist einer von vier großen Detektoren an dem Ringbeschleuniger in Genf. Er zeichnet Teilchenkollisionen mit einer hohen Auflösung auf und speichert die Daten zur weiteren Analyse. Dabei konzentriert er sich auf sogenannte Myonen – eine Art „schwere Brüder“ des Elektrons, die allerdings nur für den millionstel Bruchteil einer Sekunde existieren, bevor sie in Elektronen und Neutrinos zerfallen.

Höhere Energie führt zu besseren Ergebnissen
„Wir wissen, dass das Higgs-Teilchen oft in zwei Elementarteilchen, sogenannte Z-Bosonen, zerfällt, die ihrerseits in jeweils zwei unterschiedliche Myonen zerfallen können“, erklärt Trefzger. Diese vier Myonen muss der ATLAS-Detektor in seinen „Myonkammern“ aufspüren und ihren Impuls und ihre Energie bestimmen, damit die Physiker in einer Rückwärtsberechnung die Masse des Higgs-Teilchens, aber auch die von anderen Elementarteilchen ermitteln können.

Das hat in der Vergangenheit schon ganz gut geklappt und unter anderem zum Nachweis des Higgs-Bosons geführt. Noch bessere Ergebnisse versprechen sich die CERN-Verantwortlichen jedoch von der jetzt nochmals gesteigerten Energie des Protonenstrahls. Der Nachteil dabei: „Mit der bisherigen Ausstattung wäre ATLAS nicht in der Lage, die gewaltige Zahl an Kollisionen verlässlich zu registrieren und auszuwerten, die wir erwarten. Er würde zu viele ‚falsche Myonen‘ erkennen“, erklärt Trefzger.

Schraubarbeiten im Reinraum
Damit dies nicht passiert, haben die Würzburger Physiker gemeinsam mit Kollegen in München, Freiburg und Mainz neuartige Myonkammern entwickelt und gebaut. In Würzburg wurden dafür zwei Quadratmeter große Metallnetze unter Reinraumbedingungen und mit höchster Präzision zusammengefügt. Den Zwischenraum füllt ein spezielles Gas, das den hohen technischen Anforderungen genügt.

„Das hört sich vermutlich recht banal an: Metallnetze zusammenschrauben“, sagt Trefzger mit einem Lächeln. Dabei seien die Anforderungen extrem hoch. Winzige Abweichungen könnten schließlich zu Entladungen führen, die den Messprozess stören; ein ungeeignetes Gas produziert Ablagerungen, die die Ergebnisse verfälschen, und die Erwartungen an die Haltbarkeit sind hoch: „15 Jahre sollten diese Teile mindestens funktionieren“, so Trefzger.

Zwei Monate Shutdown wegen Corona
In seiner neuen Ausbaustufe kann ATLAS nun Myon-Signale innerhalb von nur 200 Nanosekunden auslesen – vier Mal so schnell wie sein Vorgänger. Der Detektor kann also in der gleichen Zeit wesentlich mehr Ereignisse verarbeiten als bisher. Zudem verbessert sich die räumliche Auflösung und damit die Messgenauigkeit der Myon-Impulse. Somit wird es möglich sein, die physikalischen Eigenschaften der beobachteten Teilchen sehr viel genauer zu bestimmen als es bislang möglich war.

Ende 2020 waren die neuen Myonkammern fertig, dann ging erst einmal nichts voran: Coronabedingt war am LHC Shutdown angesagt. Inzwischen ist der Einbau so gut wie fertig. Zwei Mitarbeiter von Thomas Trefzger sind dafür dauerhaft vor Ort an dem Teilchenbeschleuniger zugange. Sie verkabeln die Kammern, kontrollieren den Zusammenbau, nehmen sie in Betrieb und führen eine Reihe von Tests durch. Erst wenn klar ist, dass eine Kammer funktioniert, wird sie endgültig eingebaut.

Unerwartete Ergebnisse sind die spannendsten
Beendet ist die Würzburger Beteiligung an dem gewaltigen Experiment damit nicht: „Wir sind auch an der Analyse der Daten beteiligt, die die Detektoren in den kommenden Jahren liefern werden“, sagt Trefzger. Diese Datenmenge ist gigantisch: ATLAS produziert in vollem Betrieb jährlich etwa vier Petabyte – also 4.000 Terabyte Daten, auf die die beteiligten Wissenschaftler weltweit zugreifen werden.

Ob sich in ihnen nochmal solch eine Sensation wie das Higgs-Boson verbirgt? Das lässt sich nicht vorhersagen, so Trefzger. Im Prinzip gehe es darum, die Prozesse, die sich in winzigen Bruchteilen von millionstel Sekunden nach dem Zusammenprall der Protonen vollziehen, genauer zu verstehen. Spannend werde es, wenn dabei Abweichungen von den erwarteten Ergebnissen zu sehen sind. Dann stelle sich die Frage: Ist es ein neues Teilchen?

Und wem das noch nicht spektakulär genug ist: Je höher die Energien sind, mit denen die Teilchenstrahlen in dem Beschleuniger aufeinander prallen, desto näher rücken die Physiker bildlich gesprochen an den Urknall heran. „Momentan blicken wir auf die Zustände zurück, die eine zehntausendstel Sekunde nach dem Urknall herrschten“, sagt Trefzger. Die Grundfragen – Woher kommen wir? Wie ist das Universum entstanden? Warum gibt es die Materie so, wie wir sie finden? – lassen sich damit noch nicht beantworten.

Der ATLAS-Detektor
ATLAS ist der größte Teilchendetektor, der jemals an einem Beschleuniger gebaut wurde: Er ist etwa so groß wie ein fünfstöckiges Haus. ATLAS erforscht ein breites Spektrum physikalischer Phänomene. Beispiele sind die präzise Vermessung der Eigenschaften des Higgs-Teilchens, Präzisionstests des Standardmodells der Teilchenphysik oder die Suche nach neuen Teilchen und Phänomenen. Hierzu gehören beispielsweise die Suchen nach supersymmetrischen Teilchen und nach zusätzlichen Raumdimensionen.

Hauptmerkmal von ATLAS ist das ringförmige Magnetsystem. Es besteht aus acht 25 Meter langen supraleitenden Magnetspulen, die zylinderförmig um das Strahlrohr angeordnet sind. Sie erzeugen ein ringförmiges, sogenanntes toroides Magnetfeld, das in der Kollision entstandene Myonen im äußeren Bereich des Detektors ablenkt. In einem weiteren Magnetfeld im Innern des Detektors werden die Impulse aller in der Kollision entstandenen geladenen Teilchen vermessen. Mehr als 3200 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von 177 Instituten aus 38 Ländern arbeiten am ATLAS-Experiment. Aus Deutschland sind 18 Institutionen beteiligt.

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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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Ein Beitrag von Jan Großmann.

Um diese Frage zu beantworten, muss man sich zuerst anschauen, was wir heutzutage messen, um Ereignisse im Weltall zu enträtseln. Unsere heutigen Teleskope messen eine Vielzahl elektromagnetischer Strahlungen, so zum Beispiel Gammastrahlen, Radiowellen und natürlich das uns sichtbare Licht. Diese Strahlen haben jedoch einen strategischen Nachteil: Sie können relativ leicht durch Materie gestoppt werden.

Und genau an diesem Punkt kommen die Neutrinos ins Spiel. Diese Teilchen sind zunächst nur eine Hypothese, die entstand, als sich der Physiker Wolfgang Pauli einen Energieverlust beim Zerfall eines radioaktiven Elements nicht erklären konnte. Da sich Energie, wie jeder Physiker weiß, nicht in nichts auflösen kann, erschuf er kurzerhand die Neutrinos. Er bezeichnete sie als Teilchen, die entstehen, wenn ein Element zerfällt, die jedoch keine Ladung besitzen und sich mit Lichtgeschwindigkeit vom Reaktionsort entfernen. Auch beschrieb er die Teilchen als so klein, dass sie jegliche Materie durchdringen könnten.

Jahre später griffen Wissenschaftler diese Theorie wieder auf, um sie für die Erforschung des Weltraums zu nutzen. Denn wenn es uns möglich wäre, Teilchen zu messen, die jede andere Materie fast mühelos durchdringen können und nicht durch magnetische Felder abgelenkt werden, würde uns das Einblicke in Bereiche des Universums geben, die uns keine andere messbare Strahlung ermöglicht.

Nun fragt man sich, wie man neutrale Teilchen misst, die fast jede Materie durchdringen? Mit dieser Frage quälten sich Wissenschaftler lange Zeit herum. Heute weiß man, dass Neutrinos, die zufällig auf einen Atomkern prallen, zu so genannten Myonen werden, einer Art schwerer Elektronen. Diese Myonen bewegen sich in der gleichen Richtung und mit annähernd gleicher Geschwindigkeit weiter. Sie haben jedoch einen entscheidenden Vorteil: Sie senden bläuliche Lichtblitze aus! Mit diesen blauen Lichtblitzen haben Wissenschaftler die Möglichkeit, die Richtung und die Menge der Neutrinos zu messen. Jedoch ergeben sich auch hier Probleme. Zunächst ist die Rate, in der sich solche Lichtblitze zeigen, sehr gering. Auf Grund der Eigenschaft der Neutrinos, fast jede Materie zu durchdringen, stoßen sie nur selten mit einem Atomkern zusammen.

Weiterhin sind die Lichtblitze, die auf diese Art erzeugt werden, extrem schwach. Sie müssen durch sogenannte Photomultiplier verstärkt werden, damit sie überhaupt messbar sind. Man müsste also eine Vielzahl höchst empfindlicher Fotozellen verteilen, die jeden noch so geringen Lichtblitz registrieren.

Hierdurch ergibt sich das dritte Problem, das als am schwersten überwindbar erscheint: Das Hintergrundrauschen. Je empfindlicher man die Photomultiplier macht, desto wahrscheinlicher ist es auch, dass sie durch andere Strahlung beeinträchtigt werden. Man versuchte also, die Detektoren in tiefen Tunneln oder tief im Erdreich zu positionieren, um diese Störgrößen möglichst klein zu halten. Diese Versuche waren jedoch weniger erfolgreich und ihnen waren von Anfang an praktische Grenzen gesetzt.

Jedoch hatte ein russischer Wissenschaftler in den früher sechziger Jahren bereits die Idee, den Ozean als Filter für jene kosmische Störstrahlung zu verwenden. Dieser Vorschlag wurde jedoch als Utopie abgetan und ihm wurde keine weitere Beachtung geschenkt. Erst Jahrzehnte später wurde diese Idee wieder aufgegriffen – mit dem DUMAND Projekt.

Dieses Projekt beinhaltet ein in 5.000 Metern versenktes Neutrinoteleskop vor der Küste Hawaiis. Dieses Teleskop nutzt das extrem klare Wasser dieser Gegend, um das schwache Leuchten der Neutrinos zu messen. Man kann sich vorstellen, dass der Bau eines in 5.000 Metern tiefen Teleskops Komplikationen mit sich bringt.

Daher entschloss man sich für ein noch innovativeres Projekt, das AMANDA Projekt, das am Südpol stattfindet. Hier werden mit Hilfe von heißem Wasser Schächte bis zu tausend Metern Tiefe in das antarktische Eis gebohrt und in diesen Reihen von Detektoren angebracht, die die Myonenstrahlung messen sollen. Aufgrund des extrem klaren Eises in diesen Tiefen ist dies möglich. Jedoch beschweren sich heute schon Eisforscher darüber, mit welchen Methoden hier vorgegangen wird. Denn anstatt das Eis wie üblich mit Bohrern aus der Tiefe zu holen, wird es mit dem heißen Wasser einfach aufgelöst und es gehen somit wichtige Forschungsobjekte verloren.

Noch erwähnenswert ist, dass diese Teleskope nicht wie üblich vom Erdball direkt ins Weltall schauen. Sie blicken vielmehr durch die Erde hindurch ins All, wodurch sie die Erdmassen als Filter für die Hintergrundstrahlung benutzen. Die Neutrinos, die also letztendlich ins Netz der Wissenschaftler gehen, sind nicht nur durch die halbe Galaxie geflogen, sondern haben als letzte Grenze auch noch unseren Heimatplaneten durchquert.

Momentan steht die Neutrinoforschung noch am Anfang, es ist jedoch auf Grund der oben genannten Vorteile zu erwarten, dass sie eine entscheidende Rolle bei der Erforschung des Weltalls spielen wird.

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