Was ist etwa das 200-fache der Masse eines Elektrons, existiert für etwa 2 Millionstel Sekunden, trifft ständig auf jeden Zentimeter der Erdoberfläche und scheint sich so zu verhalten, dass ein Loch in die seit langem akzeptierten Gesetze der Physik gestochen wird ?
Das wäre das Myon, ein erstmals Ende der 1930er Jahre entdecktes Teilchen , das in der Natur entsteht, wenn kosmische Strahlung auf Teilchen in der Atmosphäre unseres Planeten trifft. Myonen durchdringen dich und alles um dich herum mit einer Geschwindigkeit, die der des Lichts nahe kommt. Trotzdem haben viele von uns ihre Existenz wahrscheinlich erst im April 2021 erkannt, als das Partikel die Schlagzeilen machte, nachdem Forscher des Fermi National Accelerator Laboratory der US-Regierung – besser bekannt als Fermilab – die ersten Ergebnisse einer dreijährigen Studie veröffentlichten -langes Muon g-2-Experiment .
Die Fermilab-Studie bestätigte frühere Erkenntnisse, dass sich das Myon im Gegensatz zum Standardmodell der Teilchenphysik verhält , dem theoretischen Rahmen, der darauf abzielt, zu beschreiben, wie die Realität auf der kleinsten Ebene funktioniert. Wie dieser Artikel in Science erklärt, sind Myonen – die in einem Meer aus anderen winzigen Teilchen und Antiteilchen , die sie beeinflussen – existieren, tatsächlich etwas magnetischer, als das Standardmodell vorhersagen würde. Das wiederum weist auf die mögliche Existenz anderer, noch unbekannter Teilchen oder Kräfte hin.
Wie einer der Forscher, der Physiker Jason Bono, in einer Pressemitteilung seiner Alma Mater Florida International University erklärte, wusste das Team, dass, wenn sie die Diskrepanz im Magnetismus der Myonen bestätigen würden, "wir nicht genau wissen würden, was sie verursacht, aber wir würde wissen, dass es etwas ist, das wir noch nicht verstehen."
Die ersten Ergebnisse könnten zusammen mit anderen neueren Teilchenforschungen dazu beitragen, Argumente für eine neue Physik zu liefern, die das Standardmodell ersetzen würde. Hier ist ein YouTube-Video von Fermilab, das die Ergebnisse und ihre Bedeutung erklärt:
"Myonen sind wie Elektronen, nur 200 mal schwerer", erklärt Mark B. Wise in einem E-Mail-Interview. Er ist Professor für Hochenergiephysik am California Institute of Technology und Mitglied der renommierten National Academy of Sciences . (Wenn Sie das nicht genug beeindruckt, war er auch als technischer Berater für Teilchenbeschleuniger für den Hollywood-Film "Iron Man 2" von 2010 tätig).
„Laut Einsteins Formel E=mc2 bedeutet dies, dass Myonen in Ruhe eine größere Energie haben als Elektronen“, sagt Wise. "Dadurch können sie in leichtere Teilchen zerfallen und gleichzeitig insgesamt Energie sparen."
Ein weiterer wichtiger Unterschied besteht darin, dass Elektronen ziemlich nahe an unsterblich sind, Myonen jedoch nur 2,2 Millionstel Sekunden existieren, bevor sie in ein Elektron und zwei Arten von Neutrinos zerfallen, so dieser Primer des US-Energieministeriums auf dem Teilchen.
Die Myonen, die ständig erzeugt werden, wenn kosmische Strahlen auf Teilchen in der Erdatmosphäre treffen, legen in ihrer kurzen Existenz erstaunliche Entfernungen zurück und bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit. Sie treffen jeden Zentimeter der Erdoberfläche und passieren fast alles auf ihrem unmittelbaren Weg, wobei sie laut DOE möglicherweise eine Meile oder mehr in die Erdoberfläche eindringen.
Einige haben Myonen als den Schlüssel zum Verständnis aller subatomaren Teilchen beschrieben, obwohl Wise nicht ganz so weit geht. „Bei der Suche nach Physik jenseits unseres heutigen Verständnisses sollte man alle Teilchen studieren“, sagt er. "Das Myon hat jedoch einige Vorteile. Zum Beispiel wird sein anomales magnetisches Moment sehr genau vorhergesagt, was es empfindlicher für neue Physik macht, die über unsere derzeitige Theorie hinausgeht, die diese Vorhersage ändern würde. Gleichzeitig kann es sehr genau gemessen werden."
Myonen zu studieren ist jedoch keine einfache Sache. Fermilab verwendet ein 700-Tonnen-Gerät (635 Tonnen) mit drei Ringen mit einem Durchmesser von jeweils 15 Metern, das vor einigen Jahren per Lastkahn und Lastwagen von seinem ursprünglichen Zuhause im Brookhaven National Laboratory in New York nach Illinois verschifft wurde zurück. Das Gerät kann ein Magnetfeld von 1,45 Tesla erzeugen, etwa das 30.000-fache des Erdmagnetfelds.
"Es ist faszinierend, dass sie diese riesigen Geräte brauchen, um etwas so Kleines und Kurzlebiges zu studieren", erklärt Wise. "Wenn sie mit hoher Energie produziert werden, bewegen sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit und können eine beträchtliche Entfernung zurücklegen, bevor sie zerfallen. Sie könnten also nach den Beweisen suchen, die sie in einem Detektor hinterlassen."
Da Myonen beispielsweise geladene Teilchen sind, können sie die Materie, die sie durchdringen, ionisieren. Die bei dieser Ionisation entstehenden Elektronen lassen sich nach Wise nachweisen.
Wise sagt, dass die jüngste Entdeckung des Fermilab-Teams, dass das Teilchen etwas magnetischer ist, als von den Physikern erwartet, von Bedeutung ist. „Es widerspricht der Vorhersage der gegenwärtigen Theorien für das magnetische Moment des Myons (die gegenwärtige Theorie wird normalerweise das Standardmodell genannt). Es gibt also einige neue Physik darüber hinaus in unserer gegenwärtigen Theorie, die die Vorhersage für diese Größe ändert“, Wise sagt
Wie viele wichtige Entdeckungen wirft der Fund des Fermilab weitere neue Fragen auf, und es gibt noch viel, was Wissenschaftler über das Myon wissen wollen.
"Was ist die neue Physik, ist die Frage, die sie aufwirft", sagt Wise. "Es gibt auch einige andere Anomalien, die im [Standardmodell] nicht erklärt werden und Myonen betreffen. Sind sie alle in irgendeiner Weise verbunden?"
Wise macht auch einen Hinweis zur Vorsicht in Bezug auf die Fermilab-Ergebnisse. "Es kann sein, dass das Experiment einen systematischen Effekt hat, der nicht verstanden wird und die Interpretation der Messung beeinflusst", erklärt er. "Ähnlich für die Theorie. Diese Anomalie könnte also letztendlich verschwinden. Es ist sehr wichtig, solche Dinge so gut wie möglich zu überprüfen."
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Wie der Fermilab-Physiker Chris Polly in diesem Aufsatz von 2020 feststellt , ist jedes Teilchen im Universum – selbst in den tiefsten, scheinbar leeren Weiten des Weltraums – von einem „Gefolge“ anderer Teilchen umgeben, die ständig „ein- und ausblinken“. "
