Missing Link: Ende des Physik-Standardmodells? Was die Myonen-Anomalie bedeutet

Die Diskrepanz zwischen Vorhersage und gemessenem Wert des magnetischen Moments des Myons ist durch eine neue Messung etwas stärker geworden. Was bedeutet das?

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(Bild: Fermilab)

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  • Sabine Hossenfelder
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Die Myonen-Anomalie, die erstmals 2001 in einem Experiment in Brookhaven, USA, beobachtet wurde, hält sich hartnäckig. Diese leichte Diskrepanz zwischen dem berechneten und dem experimentell bestimmten Wert des magnetischen Moments des Myons wurde damals mit einer Signifikanz von etwa 3,7 Sigma entdeckt. Das entsprach einem Signifikanzniveau von 99,98 % oder einer Wahrscheinlichkeit von 1 zu 4500, dass eine zufällige Datenschwankung das Signal hervorgerufen hat.

Sabine Hossenfelder

© Joerg Steinmetz

Sabine Hossenfelder ist theoretische Physikerin und widmet sich in ihrer Arbeit vor allem der Quantengravitation und der Physik jenseits des Standardmodells. Gegenwärtig ist sie Research Fellow am Frankfurt Institute for Advanced Studies. 2018 erschien ihr Buch "Das hässliche Universum".

Mit den jüngsten Ergebnissen vom Fermilab, die vor 2 Wochen bekannt gegeben wurden, hat sich die Signifikanz auf 4,2 Sigma erhöht. Das Fermilab nahe Chicago in den USA hat damit nun ein Signifikanzniveau von etwa 99,997 % erreicht, oder eine Wahrscheinlichkeit von 1 zu 40.000, dass die beobachtete Abweichung Zufall ist. Die neue Fermilab-Messung hat für sich genommen zwar nur eine Signifikanz von 3,3 Sigma, aber da sie den früheren Befund aus Brookhaven reproduziert, kommt die höhere Sicherheit zustande. Dennoch liegt die Abweichung unter dem Entdeckungsstandard von 5 Sigma, der in der Teilchenphysik üblich ist.

Auf das Ergebnis vom Fermilab haben Physiker mit Spannung gewartet, da es das Standardmodell der Teilchenphysik infrage stellen kann. Dieses etwa 50 Jahre alte Modell ist eine Sammlung der bislang bekannten Bausteine der Materie und enthält derzeit 25 Teilchen. Die meisten davon sind jedoch instabil und treten daher in der Materie, die uns normalerweise umgibt, nicht auf. Diese instabilen Teilchen entstehen jedoch bei hochenergetischen Teilchenkollisionen. Das passiert in der Natur, wenn kosmische Strahlen auf die obere Atmosphäre treffen. Instabile Teilchen können aber auch im Labor mit Teilchenbeschleunigern erzeugt werden. Das wurde für das Fermilab-Experiment gemacht, um dann das magnetische Moment der so erzeugten Myonen zu messen.

Die ersten Myonen wurden bereits 1936 entdeckt. Sie waren damit unter den ersten instabilen Teilchen, die Physikern bekannt waren. Das Myon ist eine schwerere Version des Elektrons, ebenfalls elektrisch geladen und hat eine Lebensdauer von etwa 2 Mikrosekunden. Für Teilchenphysiker ist das eine lange Zeit, deshalb eignen sich Myonen für Präzisionsmessungen. Das magnetische Moment eines Teilchens bestimmt, wie schnell seine Spinachse um Magnetfeldlinien kreist. Um das zu messen, erzeugen Physiker die Myonen und lassen sie dann mithilfe starker Magnete in einem Ring von etwa 15 Metern Durchmesser kreisen. Die Teilchen zerfallen schließlich, und aus der Verteilung der Zerfallsprodukte kann man dann auf das magnetische Moment schließen.

Das Ergebnis wird normalerweise als der g-2-Wert angegeben, wobei g das magnetische Moment ist. Dies kommt daher, dass der Wert nahe 2 liegt, Physiker sich aber vor allem für die Quantenbeiträge interessieren, die in den Abweichungen von 2 enthalten sind. Diese kleinen Quantenbeiträge stammen aus Vakuumschwankungen, die alle Teilchen in virtueller Form enthalten. Solche virtuellen Teilchen erscheinen nur kurz, bevor sie wieder verschwinden. Das heißt, falls es mehr Teilchen als die im Standardmodell gibt, dann sollten diese zum Myon g-2 beitragen – deswegen ist die neue Messung so interessant. Eine Abweichung von der Standardmodellvorhersage könnte nämlich bedeuten, dass es mehr als die derzeit bekannten Teilchen gibt, oder das andere, neue Physik vorliegt, beispielsweise zusätzliche Raumdimensionen.

"Missing Link"

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Was soll man nun von der 4,2-Sigma-Diskrepanz zwischen der Vorhersage des Standardmodells und der neuen Messung halten? Zunächst ist es hilfreich, sich an den Grund zu erinnern, warum Teilchenphysiker überhaupt den 5-Sigma-Standard für neue Entdeckungen fordern. Es ist nicht so sehr, dass die Teilchenphysik an sich präziser ist als andere Bereiche der Wissenschaft, oder dass Teilchenphysiker so viel bessere Experimente machen. Es liegt vor allem daran, dass Teilchenphysiker viele Daten haben. Und je mehr Daten man hat, desto wahrscheinlicher ist es, dass man Schwankungen findet, die zufällig wie ein Signal aussehen. Teilchenphysiker begannen Mitte der 90er-Jahre, das 5-Sigma-Kriterium zu verwenden, einfach um sich vor der Peinlichkeit zu retten, dass viele angebliche Entdeckungen später als statistische Schwankungen entlarvt werden.

Aber natürlich ist 5 Sigma ein völlig willkürlicher Grenzwert. Teilchenphysiker diskutieren auch oft und gerne Anomalien, die noch weit unter dieser Grenze liegen. Und im Laufe der Jahre gab es einige solcher Anomalien. Das Higgs-Boson zum Beispiel wurde bereits 1996 „entdeckt“, als am Large Electron-Positron Collider (LEP) am CERN ein Signal von etwa 4 Sigma auftrat – und dann wieder verschwand. Ebenfalls 1996 wurden Quark-Substrukturen bei etwa 3 Sigma gefunden. Auch sie verschwanden. Im Jahr 2003 wurden am LEP Anzeichen von Supersymmetrie (einer populären Erweiterung des Standardmodells) beobachtet, ebenfalls bei etwa 3 Sigma. Aber bald waren sie verschwunden. Im Jahr 2015 haben wir die Di-Photonen-Anomalie am LHC gesehen, die eine Weile bei etwa 4 Sigma verweilte, bevor sie wieder verschwand. Es gab sogar einige atemberaubende 6-Sigma-Entdeckungen, die dann wieder verschwanden, wie etwa 1998 die „Superjets“ am Tevatron (von denen niemand wirklich weiß, was sie waren) oder die Pentaquarks, die 2004 bei HERA gesichtet wurden – Penta-Quarks wurden tatsächlich erst 2015 entdeckt.

Das gibt uns schon mal eine gute Grundlage, um zu beurteilen, wie ernst die 4,2-Sigma zu nehmen sind. Aber natürlich kann die g-2-Anomalie zu ihren Gunsten sagen, dass sie nicht schwächer, sondern stärker geworden ist.