Wissenschaftler lagen über dieses seltsame, „regelbrechende“ Teilchen falsch

Technik und Auswirkungen

Laut Fodor wäre dieses Präzisionsniveau selbst vor zehn Jahren schwer zu erreichen gewesen. Die Ergebnisse stärken das Vertrauen in das Standardmodell auf 11 Nachkommastellen und verringern signifikant den Bereich, in dem neue Physik gefunden werden könnte.

„Die Leute fragen mich, wie es sich anfühlt, diese Entdeckung zu machen, und ehrlich gesagt, fühle ich mich etwas traurig“, sagte Fodor. „Als wir begannen, diese Größe zu berechnen, dachten wir, wir würden eine gute und vertrauenswürdige Berechnung für eine neue fünfte Kraft vorlegen.

Stattdessen fanden wir heraus, dass es keine fünfte Kraft gibt.

Technik und Auswirkungen

Wir haben jedoch einen sehr präzisen Beweis nicht nur für das Standardmodell, sondern auch für die Quantenfeldtheorie gefunden, auf der das Standardmodell aufgebaut ist.“ Im Mittelpunkt dieser Arbeit steht das „magnetische Moment“ des Myons, das beschreibt, wie stark es wie ein winziger Magnet wirkt.

Die Quantentheorie sagt einen Wert, was die Beziehung zwischen der Bewegung des Teilchens und dem. Experimente haben jedoch seit langem geringfügige Unterschiede nachgewiesen.

Diese Unterschiede entstehen, weil andere Teilchen kurz erscheinen und wieder verschwinden und dadurch das Verhalten des Myons subtil beeinflussen. Diese kleine Verschiebung wird als anomales magnetisches Moment oder $g-2$ bezeichnet.

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Da Myonen etwa 200 Mal schwerer als Elektronen sind, sind sie besonders empfindlich gegenüber diesen Effekten. Diese Empfindlichkeit hat das Myon-$g-2$ zu einer der am engsten untersuchten Messungen in der Physik gemacht.

Experimente am CERN in den 1960er und 1970er Jahren, am Brookhaven National Laboratory zu Beginn der 2000er Jahre und vor Kurzem am Fermi National Accelerator Laboratory haben das magnetische Moment des Myons mit außergewöhnlicher Präzision gemessen. Diese Bemühungen wurden mit dem Breakthrough Prize in Fundamental Physics ausgezeichnet.

Jahrelang schienen ihre Ergebnisse im Widerspruch zu theoretischen Vorhersagen zu stehen, was die Möglichkeit unbekannter Physik nahelegte.

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Die Herausforderung der starken Kraft Ein großes Hindernis bei der Berechnung des Verhaltens des Myons ist die starke Kraft, die stärkste der vier fundamentalen Kräfte, zusammen mit der Gravitation, dem Elektromagnetismus und der schwachen Kraft. Sie bindet Quarks zusammen, um Protonen, Neutronen und andere Teilchen zu bilden.

Die starke Kraft verhält sich auf komplexe Weise. Im Gegensatz zu anderen Kräften wird sie stärker, je weiter sich die Teilchen voneinander entfernen, ähnlich wie ein gedehnter Gummiband.

Zu versuchen, sie zu trennen, erfordert so viel Energie, dass neue Teilchen entstehen, welche das System weiter beeinflussen. Dies macht präzise Berechnungen extrem schwierig.

Um dies zu bewältigen, verwendete das

Um dies zu bewältigen, verwendete das Team die gitterartige Quantenchromodynamik (lattice quantum chromodynamics), eine Methode, die die starke Kraft auf leistungsstarken Computern simuliert, indem sie Raum und Zeit in ein feines Gitter unterteilt.

„Die alte Methodik beinhaltete das Sammeln deren Neuinterpretation, um die einzelne Zahl, das magnetische Moment des Myons, zu erhalten“, sagte Fodor. „Unser Ansatz war völlig anders.“ Wir teilten die Raumzeit in sehr kleine Zellen, ein Gitter, und lösten darauf die Gleichungen des Standardmodells.

Hinter dieser Berechnung steckten eine enorme Menge an Theorie, Mathematik, Programmierung, rechnerischem Wissen und Computerarchitektur. In den letzten zehn Jahren haben Fortschritte bei Gittermethoden die Genauigkeit verbessert, aber das Erreichen der für das Myon $g-2$ erforderlichen Präzision blieb herausfordernd.

Was die Studie zeigt

Die Forscher begegneten diesem Problem, indem sie Gitterberechnungen bei kurzen und mittleren Distanzen mit hochzuverlässigen experimentellen Daten bei größeren Distanzen kombinierten, wo die Messungen bereits gut übereinstimmen. Diese kombinierte Strategie reduzierte die Unsicherheiten effektiver als jede Methode allein.

Schließen der Lücke zwischen Theorie und Experiment Nutzte das Team auch feinere Rechenraster als in früheren Studien, was die Fehler weiter minimierte. Das Ergebnis ist die bisher präziseste Berechnung des magnetischen Moments des Myons.

Wenn es in die vollständige Vorhersage des Standardmodells integriert wird, verschwindet der langjährige Unterschied zwischen Theorie und Experiment im Wesentlichen.

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„Die Vorhersage kombiniert elektromagnetische, schwache und starke Kräfte, die jeweils völlig unterschiedliche theoretische Werkzeuge erfordern, zu einer einzigen Berechnung, die mit pro Milliarde genau ist“, sagte Fodor.

„Es zeigt, dass wir wirklich verstehen, wie die Natur auf einer unglaublich tiefen Ebene funktioniert.“ Obwohl die Ergebnisse keine neue Physik ausschließen, verengen sie einen der vielversprechendsten Wege zur Entdeckung erheblich. Zukünftige Experimente könnten zusätzliche Einblicke liefern, aber die aktuellen Beweise stützen das Standardmodell stark.

„Wir haben die fünfte Kraft nicht gefunden, aber wir haben einen sehr schönen und wahrscheinlich den besten Beweis für die Quantentheorie erhalten, welche die zugrunde liegende Theorie unseres gesamten Verständnisses der fundamentalsten Fragen der Natur ist“, sagte Fodor.

Quelle: „Hybrid calculation of hadronic vacuum

Quelle: „Hybrid calculation of hadronic vacuum polarization in muon g minus 2 to 0.48%“, Sz.

April 2026, Nature. DOI: 10.1038/s41586-026-10449-z Das U.S.

Department of Energy und der European Research Council unterstützten die Teile dieser Arbeit.