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Verhalten im Einklang mit Standardmodell
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich
astronews.com
27. April 2026
Die magnetischen Eigenschaften des Myons beschäftigen die
Elementarteilchenphysik schon länger, hatten doch hartnäckige Diskrepanzen
zwischen Theorie und Experiment auf die mögliche Existenz einer neuen Physik
jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik hingewiesen. Neue Berechnungen
haben jetzt aber die Unstimmigkeiten zwischen Theorie und Experiment beseitigt.
Das Experiment Myon g-2 am Fermilab in den
USA.
Foto: Fermilab / Reidar Hahn [Großansicht] |
Das Myon ist ein Elementarteilchen – ein kurzlebiger, schwererer "Verwandter"
des Elektrons. Seit mehr als 20 Jahren beschäftigt die Fachwelt eine kleine,
aber hartnäckige Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und hochpräzisen
Messungen des magnetischen Verhaltens des Myons – ein Hinweis auf die mögliche
Existenz einer neuen Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik. Zu
einem Wendepunkt kam es im Jahr 2021: Eine neue Berechnung eines internationalen
Teams, an dem auch Forschende aus Jülich beteiligt waren, brachte die
theoretische Vorhersage wesentlich näher an den experimentellen Wert heran und
stellte damit frühere Interpretationen der Abweichung infrage.
Aufbauend auf dieser Arbeit hat das Team die Berechnungen weiter verfeinert,
dadurch eine höhere Genauigkeit erzielt – und Theorie und Experiment nahezu
perfekt in Einklang gebracht. Das neue Ergebnis reduziert die Unsicherheit um
den Faktor 1,6 und ist damit fast doppelt so präzise wie frühere Berechnungen.
Die aktualisierte Vorhersage stimmt nun innerhalb von 0,5 Standardabweichungen
mit neuesten experimentellen Messungen überein und liefert damit eine
Bestätigung des Standardmodells auf elf Nachkommastellen genau.
"Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist eine äußerst
wichtige Überprüfung des Standardmodells", erklärt Prof. Kálmán Szabó vom
Jülich Supercomputing Centre, der den Jülicher Beitrag koordiniert hat.
"Auf der theoretischen Seite fließen alle fundamentalen Wechselwirkungen ein –
elektromagnetische, schwache und starke – was sehr unterschiedliche und oft
hochkomplexe Rechenmethoden erfordert."
Das Zusammenführen dieser Beiträge zu einem einzelnen Wert, welcher der
Versuchsgenauigkeit entspricht, stellt eine erhebliche rechnerische
Herausforderung dar. Zur Einordnung: Die experimentelle Genauigkeit erreicht ein
Niveau, bei dem die Messunsicherheit bei der Bestimmung des Körpergewichts eines
Menschen in der Größenordnung einer einzelnen Wimper liegt. Damit setzt es neue
Maßstäbe für die Rechenpräzision.
Kernstück des neuen Ansatzes ist eine hochgradig exakte Berechnung des
bislang unsichersten Teils der theoretischen Vorhersage, welcher mit der starken
Wechselwirkung des Standardmodells zusammenhängt. Die Berechnungen wurden
größtenteils auf Jülicher Supercomputern durchgeführt, darunter JUWELS, JURECA
und JUPITER – Europas erster Exascale-Supercomputer – die alle am Jülich
Supercomputing Centre betrieben werden. "Dieser Teil ist äußerst schwer mit
hoher Präzision zu berechnen, weil die starke Wechselwirkung über alle
Energieskalen hinweg erfasst werden muss", so Prof. Zoltan Fodor, dessen ERC
Advanced Grant das Jülicher Forscherteam ebenfalls unterstützte.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, nutzten die Forschenden einen
hybriden Ansatz, bei dem sie modernste Gitter-Quantenchromodynamik-Simulationen
(QCD) mit sorgfältig ausgewählten experimentellen Daten aus
Elektron-Positron-Kollisionen über verschiedene Energiebereiche hinweg
kombinierten. Dieses Vorgehen ermöglicht eine Präzision, die keine der beiden
Methoden für sich allein erreichen könnte. Im Ergebnis lässt sich das Verhalten
des Myons nun vollständig im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik
beschreiben – ohne Hinweise auf bisher unbekannte physikalische Phänomene.
Über ihre Ergebnisse berichtet das Team in einem Fachartikel,
der in der Zeitschrift Nature erschienen ist.
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