Physiker verbringen Jahrzehnt mit der Suche nach der fünften Naturkraft – finden keine, traurig

Jahrzehntelang haben Physiker ein winziges subatomares Teilchen namens Myon angestarrt und aufgeregt über eine mögliche fünfte Naturkraft geflüstert. Nun hat ein internationales Forschungsteam unter der Leitung eines Penn-State-Physikers der ganzen Sache einen Dämpfer verpasst. Ihre im Fachblatt Nature veröffentlichten Ergebnisse deuten darauf hin, dass die lange beobachtete Diskrepanz im magnetischen Verhalten des Myons gar kein Zeichen neuer Physik war – es war nur ein Matheproblem.

Das Rätsel drehte sich um das Myon, ein kurzlebiges Teilchen, das im Grunde der bulligere Cousin des Elektrons ist und etwa 200-mal mehr wiegt. Seit über 60 Jahren schienen Messungen des magnetischen Moments des Myons – wie stark es sich wie ein winziger Magnet verhält – nicht mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinzustimmen, dem Regelwerk für alle bekannten fundamentalen Teilchen und Kräfte. Diese Diskrepanz ließ alle auf unentdeckte Teilchen oder sogar eine glamouröse neue „fünfte Kraft“ jenseits der üblichen vier hoffen.

„Es gab in den letzten 60 Jahren viele Berechnungen, und je genauer sie wurden, desto mehr deuteten sie auf eine Diskrepanz und eine neue Wechselwirkung hin, die die bekannten Gesetze der Physik umstoßen würde“, sagte Zoltan Fodor, angesehener Professor für Physik an der Penn State und Hauptautor der Studie. „Wir haben eine neue Methode angewandt, um diese Diskrepanzgröße zu berechnen, und gezeigt, dass sie nicht existiert. Diese neue Wechselwirkung, auf die wir gehofft hatten, gibt es einfach nicht. Die alten Wechselwirkungen können den Wert vollständig erklären.“

Das Team verbrachte mehr als ein Jahrzehnt damit, seine Berechnung zu verfeinern, und brachte schließlich theoretische Vorhersagen und experimentelle Messungen innerhalb von weniger als einer halben Standardabweichung zur Übereinstimmung. Das Ergebnis bestätigt das Standardmodell auf 11 Dezimalstellen und schmälert die Chancen, dass sich in dieser speziellen Messung unbekannte Physik versteckt, erheblich.

„Die Leute fragen mich, wie es sich anfühlt, diese Entdeckung zu machen, und um ehrlich zu sein, bin ich etwas traurig“, gab Fodor zu. „Als wir anfingen, diese Größe zu berechnen, dachten wir, wir würden eine gute und vertrauenswürdige Berechnung für eine neue fünfte Kraft bekommen. Stattdessen fanden wir, dass es keine fünfte Kraft gibt. Wir haben einen sehr präzisen Beweis nicht nur für das Standardmodell gefunden, sondern auch für die Quantenfeldtheorie, die Grundlage, auf der das Standardmodell aufgebaut ist.“

Die Forschung konzentrierte sich auf das anomale magnetische Moment des Myons, oder g−2, eine winzige Abweichung vom erwarteten Wert von genau zwei. Da Myonen schwerer sind als Elektronen, reagieren sie ungewöhnlich empfindlich auf flüchtige Quanteneffekte – Teilchen, die im leeren Raum kurz auftauchen und wieder verschwinden. Experimente am CERN in den 1960er und 1970er Jahren, später am Brookhaven National Laboratory und in jüngerer Zeit am Fermi National Accelerator Laboratory haben dies mit bemerkenswerter Präzision gemessen und den Breakthrough Prize in Fundamental Physics eingebracht. Aber die Zahlen stimmten nie ganz mit der Theorie überein – bis jetzt.

Das Hauptproblem kam von der starken Kraft, der mächtigsten der vier bekannten Kräfte, die Quarks in Protonen und Neutronen zusammenhält. Anders als die Schwerkraft oder der Elektromagnetismus wird die starke Kraft stärker, je weiter sich Teilchen voneinander entfernen – wie ein Gummiband, das sich umso mehr spannt, je mehr man daran zieht. Um das Verhalten des Myons genau vorherzusagen, verwendete das Team die Gitter-Quantenchromodynamik, eine Rechentechnik, die die starke Kraft auf Supercomputern simuliert, indem sie Raum und Zeit in ein extrem feines Gitter unterteilt.

„Die alte Methodik bestand darin, Tausende von experimentellen Ergebnissen zu sammeln und neu zu interpretieren, um die einzelne Zahl, das magnetische Moment des Myons, zu erhalten“, sagte Fodor. „Unser Ansatz war völlig anders. Wir haben die Raumzeit in sehr kleine Zellen unterteilt, ein Gitter, und dann die Gleichungen des Standardmodells darauf gelöst.“

Im letzten Jahrzehnt kombinierte das Team Gitterberechnungen für kurze und mittlere Entfernungen mit hochzuverlässigen experimentellen Messungen für größere Entfernungen, wobei sie feinere Gitter als in früheren Studien verwendeten, um die Unsicherheit zu verringern. Die endgültige Berechnung stellt die bisher genaueste Bestimmung des magnetischen Moments des Myons dar.