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StartseiteForschung aktuellPhysiker melden Hinweise auf unbekannte Phänomene08.04.2021

Mysteriöse MyonenPhysiker melden Hinweise auf unbekannte Phänomene

Bei der Messung der magnetischen Eigenschaften von Elementarteilchen konnten Forscher eine auffällige Abweichung von theoretischen Vorhersagen bestätigen. Das Drehmoment des Myons ist einen Tick größer als erwartet. Womöglich sind unbekannte Kräfte oder neue Elementarteilchen verantwortlich.

Von Frank Grotelüschen

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Blick auf das Myon-g-2-Experiment am Fermilab (Reidar Hahn / Fermilab)
Das Myon-g-2-Experiment am Fermilab bei Chicago: In dem Magnetring werden Myonen auf Schraubenbahnen gezwungen. (Reidar Hahn / Fermilab)
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Gestern Nachmittag kurz nach 17 Uhr. Gutgelaunt präsentiert der Physiker Chris Polly als Sprecher eines 200-köpfigen Teams die ersten Daten seines Experiments: "Für uns ist das wie die geglückte Landung eines Marsrovers. Denn es war wirklich ein enormer Aufwand. Hunderte von Menschen haben jahrelang geschuftet, um diese Messungen zu machen und auszuwerten."

Die Freude hat ihren Grund: Myon g-2, so der etwas sperrige Name des Versuchs, hat handfeste Hinweise geliefert für eine wissenschaftliche Sensation – Hinweise auf neue physikalische Gesetze und unbekannte Elementarteilchen. Dabei ist das Experiment eigentlich nur die Wiederholung eines Versuchs, der vor 20 Jahren am Brookhaven National Lab nahe New York stattgefunden hatte.

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Riesiger Magnet lässt Myonen taumeln

Rückblende: Es ist das Jahr 2004 und der Physiker Ofer Rind zeigt in einer Halle in Brookhaven auf einen großen, wuchtigen Ring: "Wir stehen hier vor dem weltweit größten Magneten seiner Art. Er hat die Form eines Ringreifens, 14 Meter Durchmesser, 600 Tonnen schwer."

Im Inneren des Magneten waren künstlich erzeugte Elementarteilchen nahezu lichtschnell herumgekreist. Und zwar Myonen, die schweren Brüder der Elektronen. Bei ihrer Fahrt durch den Magneten gerieten die Myonen ins Taumeln, so wie Spielzeugkreisel. Dieses Taumeln haben Rind und seine Leute damals vermessen. Das erstaunliche Resultat: Offenbar taumelten die Myonen ein bisschen schneller als theoretisch erwartet. "Verglichen mit der Theorie gibt es da möglicherweise eine Diskrepanz", so Ofer Rind seinerzeit. "Wir vermuten, dass dahinter neue physikalische Phänomene stecken."

Sind unbekannte Kräfte oder Teilchen im Spiel?

Dabei könnte folgendes passiert sein: Als die Myonen durch den Ring taumelten, könnten sporadisch neue, unbekannte Teilchen aufgetaucht sein, und zwar aus dem Vakuum, aus dem Nichts. Dieses kurze Aufpoppen müsste das Taumeln ein wenig beschleunigt haben, und genau das meinte das Team damals beobachtet zu haben. Allerdings waren die Messungen noch nicht genau genug. Es war also nicht sicher, ob neue Naturgesetze hinter dem Phänomen steckten oder bloß der pure Zufall. Also entschloss man sich, das Experiment an anderer Stelle zu wiederholen – mit einem Beschleuniger, der deutlich mehr Myonen herstellen kann als der in Brookhaven. Die Wahl fiel auf das Fermilab nahe Chicago, das größte Teilchenforschungszentrum der USA.

Neuer Ort, selbes Experiment - aber empfindlicher

Im Jahr 2014 wurde der 14-Meter-Magnet-Ring auf See und über Land transportiert, über eine Strecke von 3.200 Meilen, erzählt Fermilab-Physiker Chris Polly. In Chicago angekommen, wurde der Ring mit komplett neuer und deutlich besserer Messtechnik bestückt. Daran beteiligt waren auch deutsche Forscher, Martin Fertl etwa, heute Physikprofessor an der Uni Mainz:

"Wir müssen das Magnetfeld sehr genau vermessen. Da ist eine Herausforderung, dass wir es geschafft haben, das Magnetfeld zu homogenisieren, und zwar ungefähr ein Faktor drei besser als das Vorgängerexperiment, nachdem der ganze Magnet am Brookhaven-Labor auseinandergebaut wurde und am Fermilab wieder zusammengebaut wurde."

2017 begannen die Messungen. Gestern wurden, nach sorgfältigen Analysen, die ersten Ergebnisse vorgestellt. Sie bestätigen die Resultate des Brookhaven-Experimentes, sagt Chris Polly: "Und die Wahrscheinlichkeit, dass da etwas zufällig passiert, liegt jetzt nur noch bei 1:40 000. Wir können also ziemlich sicher sagen, dass es etwas geben muss, was hinter diesem Ergebnis steckt."

Ein klarer Beweis fehlt noch

Noch aber will man nicht von einer Entdeckung sprechen, noch sind die Kriterien dafür nicht erfüllt. Doch die Fachleute hoffen, das im nächsten Jahr zu schaffen, wenn weitere Messdaten ausgewertet sind. Nicht wenige aber sehen im Experiment aus Chicago schon jetzt den bislang stärksten Hinweis auf neue Elementarteilchen und auf eine Physik jenseits des Standardmodells. Nur: Was das genau für neue Teilchen sind, ob zum Beispiel Axionen oder supersymmetrische Teilchen, das lässt sich heute noch nicht sagen, meint Aida El-Khadra, Physikerin an der University of Illinois.

"Sollte es sich wirklich um eine Entdeckung handeln, brauchen wir mehr Informationen von anderen Experimenten und auch von der Theorie. Dann lässt sich vielleicht sagen, was das für Teilchen sind. Und dann könnte es durchaus möglich sein, diese Teilchen mit Beschleunigern zu erzeugen, etwa mit dem Large Hadron Collider LHC in Genf."

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