«Verschiedene Ergebnisse rütteln am Standardmodell»

Interview mit Prof. Martin Hoferichter von der Universität Bern

Anfang April hat das US-amerikanische Forschungslabor Fermilab ein neues Messergebnis für das magnetische Dipolmoment des Myons veröffentlicht. Das Resultat rief ein breites Medienecho hervor, da es von den theoretischen Vorhersagen abweicht und damit das bisherige Verständnis der Naturgesetze in Frage stellt. An den theoretischen Vorhersagen waren Forschende des Albert Einstein Center for Fundamental Physics (AEC) der Universität Bern beteiligt. Prof. Martin Hoferichter, theoretischer Physiker am AEC, erläutert die Hintergründe.

Prof. Martin Hoferichter nimmt an der Universität Bern seit 2020 eine Professur wahr, die aus dem Eccellenza-Programm des Schweizerischen Nationalfonds finanziert wird.
Bild: M. Hoferichter

Herr Hoferichter, die jüngsten Schlagzeilen aus der Elementarteilchenphysik betreffen die Myonen. Myonen sind die schweren Brüder der Elektronen. Während Elektronen in allen Atomen vorkommen, sind Myonen instabil, zerfallen also in Bruchteilen von Sekunden in andere Teilchen. Wie wichtig sind diese flüchtigen Kerle für unsere Welt?

Prof. Martin Hoferichter: Die Materie um uns herum ist aus Elektronen, Protonen und Neutronen aufgebaut; Myonen spielen da praktisch keine Rolle. Trotzdem sind wir von Myonen umgeben: Diese Teilchen entstehen nämlich, wenn kosmische Strahlung aus dem Universum auf die Erdatmosphäre trifft. Sie treffen dann wie ein grosser Teilchenregen auf die Erdoberfläche. Obwohl die Myonen sehr schnell zerfallen, schaffen es viele von ihnen wegen relativistischer Effekte von ihrem Entstehungsort in der äusseren Atmosphäre bis auf die Erdoberfläche. Diese ‹natürlichen› Myonen können in Laborexperimenten detektiert werden. Myonen lassen sich daneben auch künstlich in Beschleunigern erzeugen, so beispielsweise im g-2-Experiment (sprich: «g-minus-2-Experiment») am Fermilab bei Chicago, das jüngst Schlagzeilen geschrieben hat.

Myonen haben wie viele andere Elementarteilchen ein magnetisches Dipolmoment. Können Sie uns mit einem Beispiel aus der makroskopischen Welt anschaulich machen, was man darunter zu verstehen hat?

Das ist schwierig, denn das magnetische Dipolmoment ist eine Quanteneigenschaft von Teilchen. Man kann sich das so vorstellen, dass es mit der Kraft zusammenhängt, die Stabmagnete in einem Magnetfeld ausrichtet. Wir beschreiben das magnetische Moment indirekt über die Konstante g (für: gyromagnetisches Verhältnis). Grob betrachtet liegt der Wert für ein Myon bei 2. Wir Physiker wollen exakt bestimmen, wie gross der tatsächliche Wert und damit die Differenz zu 2 ist. Davon leitet sich der Name des oben genannten Experiments («g-minus-2») ab.

Kann man das magnetische Dipolmoment von Myonen für technische Zwecke nutzen?

Die Erforschung dieser Teilcheneigenschaft ist bislang reine Grundlagenforschung. Die magnetischen Dipolmomente der Elementarteilchen sind schon seit langer Zeit von grossem Interesse in der Teilchenphysik. Dessen Messungen am Elektron führten seinerzeit zum Aufbau der Quantenfeldtheorie, heute ein Grundpfeiler des Standardmodells der Teilchenphysik, das die heute bekannten Teilchen und Kräfte in der mikroskopischen Welt beschreibt. Die Messungen wurden über die Jahrzehnte immer genauer, und unser Verständnis der Dipolmomente hat sich laufend verbessert.

Sie und Ihr Kollege und AEC-Direktor Gilberto Colangelo sind theoretische Physiker an der Universität Bern. Sie haben sich zum Ziel gesetzt, das magnetische Dipolmoment so genau wie möglich zu berechnen. Dazu haben Sie sich vor fünf Jahren der ‹Muon g-2 Theory Initiative› angeschlossen. Was war das Ziel?

Die Initiative wurde von Aida El-Khadra (University of Illinois) und Christoph Lehner (Universität Regensburg und Brookhaven National Lab/USA) ins Leben gerufen. Ziel war, das magnetische Dipolmoment des Myons möglichst genau zu berechnen, wobei wir die Naturgesetze zugrunde legen, wie sie das Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt. Eine solche Berechnungen ist sehr aufwändig und es gilt viele verschiedene Aspekte zu berücksichtigen. Ein wichtiges Ergebnis der fünfjährigen Arbeit der Initiative lag im letzten Jahr vor: Wir als theoretische Physiker haben uns damals nach einem jahrelangen Fachaustausch auf einen einzigen Vorhersagewert für das magnetische Dipolmoment des Myons verständigt. Das war eine grosse Leistung, denn zuvor waren verschiedene Werte im Umlauf, die sich in verschiedenen Punkten unterschieden haben. Seit 2020 liegt nun aber ein einziger Vorhersagewert vor, der mit den Messungen der am Fermilab und weiteren Laboratorien verglichen werden kann. An der entsprechenden Publikation in der Fachzeitschrift ‹Physics Reports› waren nicht weniger als 130 Autorinnen und Autoren von 78 Institutionen aus 21 Ländern beteiligt.

Was macht es so schwierig, das magnetische Dipolmoment eines Myons zu berechnen?

In die Berechnung müssen alle drei fundamentalen Kräfte aus dem Standardmodell mit einbezogen werden, also die elektromagnetische, die schwache und die starke Wechselwirkung. Die ersten beiden dieser Kräfte haben wir dank der Störungstheorie heute gut im Griff, aber es ist schwierig, den Beitrag der starken Wechselwirkung zum magnetischen Dipolmoment des Myons zu quantifizieren. Dafür stehen zwei Wege zur Diskussion: Entweder man berechnet deren Beiträge indirekt über Resultate von anderen Experimenten, oder man geht den Weg über Gittersimulationen, was mit einem grossen numerischen Aufwand einhergeht. Der Vergleich dieser beiden Methoden war ein Kernbestandteil der theoretischen Diskussion der letzten Jahre – und er wird auch in den nächsten Jahren weiter zu reden geben.

Vor wenigen Tagen hat das Fermilab seine neuste Präzisionsmessung für das magnetische Dipolmoment des Myons veröffentlicht. Es sieht danach aus, als würde der gemessene Wert nicht mit dem von den Theoretikern berechneten Wert übereinstimmen. Haben Sie und Ihre Theoriekollegen sich verrechnet?

Wir gehen davon aus, dass wir uns nicht verrechnet haben! Dies auch deshalb nicht, weil unsere Berechnungen auch auf anderen experimentellen Ergebnissen beruhen, wie ich oben ausgeführt habe. Es weist also vieles darauf hin, dass der Vorhersagewert, den wir auf der Grundlage des Standardmodells errechnet haben, nicht mit dem tatsächlich gemessenen Wert übereinstimmt. Und das würde bedeuten, dass das Standardmodell der Teilchenphysik die Naturgesetze nicht vollständig beschriebe! Bei hohen Energien könnten Teilchen und Kräfte eine Rolle spielen, die in dem Standardmodell nicht vorkommen! Die Teilchenphysik-Community wartet seit vielen Jahren auf solche Hinweise auf Physik «jenseits des Standardmodells». Das ist der Grund, warum die Community sehr begeistert auf die jüngsten Ergebnisse reagiert hat.

Dass der Messwert und der Theoriewert des magnetischen Dipolmoments des Myons nicht übereinstimmen, ist bisher eine gut begründete Vermutung. Wann, denken Sie, gibt es hierzu wissenschaftliche Gewissheit?

Um diese Gewissheit zu erlangen, will das Experiment am Fermilab noch genauere Messungen vorlegen, und wir als Theoretische Physiker wollen den Vorhersagewert entsprechend verbessern. Wenn da alles perfekt läuft, dann könnten wir in zwei bis drei Jahren diese Gewissheit erreicht haben. Das würde uns gelingen, wenn wir die Abweichung mit einer Signifikanz von mindestens 5 Sigma nachweisen könnten. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit für eine zufällige Abweichung kleiner als 0.00003% wäre.

Falls dies gelingt, müsste das Standardmodell der Teilchenphysik angepasst werden. Haben Sie schon eine Idee, wie die Änderungen aussehen könnten?

Es sind eine Menge von Modellen im Umlauf, die diese Abweichung – wenn sie denn bestätigt ist – erklären könnten. Diese Modelle postulieren unterschiedliche Arten neuer Elementarteilchen bei unterschiedlichen Energien. Welches dieser Modelle die Wirklichkeit am besten beschreibt, darüber will ich heute nicht spekulieren. Um hier gute Antworten zu finden, wird es wichtig sein, auch die Ergebnisse anderer Experimente einzubeziehen, die am Standardmodell rütteln.

Im März dieses Jahres haben bereits neue Ergebnisse von LHCb-Experiment am CERN am Standardmodell gerüttelt. Dieses Experiment untersucht insbesondere den Zerfall von sogenannten bottom-Quarks. Wo sehen Sie das grössere Potenzial für «neue» Physik – beim g-2-Experiment oder bei LHCb?

Was die Aussagekraft der Ergebnisse angeht, ist das g-2-Experiment etwas weiter. Die Signifikanz von 4,2 ist nämlich höher als beim jüngsten LHCb-Resultat mit einer Signifikanz von gut 3. Allerdings gibt es im Bereich der b-Physik, die am LHCb-Experiment betrieben wird, noch weitere Messungen, die in die gleiche Richtung zeigen. Wenn man diese miteinbezieht, sind die Hinweise für «neue» Physik mindestens so ernstzunehmend wie jene von g-2.

Das Experiment am Fermilab, das Sie vonseiten der Universität Bern mit theoretischen Arbeiten unterstützen, ist ein vergleichsweise kleines Experiment, in jedem Fall kleiner als Experimente am Teilchenbeschleuniger LHC am CERN. Darf man daraus lernen, dass auch kleinere Experimente den Weg zu «neuer» Physik bereiten werden?

Ich sehe beide Experimente – die Untersuchung von bottom-Quark-Zerfällen bei LHCb und das Myonen-Experiment am Fermilab – komplementär. Richtig ist, dass die neusten Ergebnisse bei niedrigeren Energien gewonnen wurden, das gilt für das Fermilab und in gewissem Sinn auch für LHCb. Das Experiment erforscht das Standardmodell bei – für CERN-Verhältnisse – relativ kleinen Energien.

Dieser Ringmagnet ist ein Bestandteil des Experiments, mit dem am Fermilab in der Nähe von Chicago das magnetische Dipolmoment von Myonen sehr präzise gemessen wird.
Dieser Ringmagnet ist ein Bestandteil des Experiments, mit dem am Fermilab in der Nähe von Chicago das magnetische Dipolmoment von Myonen sehr präzise gemessen wird.Bild: Reidar Hahn

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