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Muon g 2 ist ein Teilchenphysikexperiment am Fermilab mit dem Ziel den Landé Faktor g Faktor des Myons genauer zu vermes

Muon g-2

Muon g-2 ist ein Teilchenphysikexperiment am Fermilab mit dem Ziel, den Landé-Faktor (g-Faktor) des Myons genauer zu vermessen. Der Landé-Faktor beschreibt das Verhältnis der Stärke des quantenmechanischen Magnetfelds zur Erwartung aus der klassischen Physik, für Myonen ist der Faktor etwas größer als 2. Die Abweichung von 2 soll mit einer Präzision von 0,14 ppm gemessen werden. Da die erwartete Abweichung mit ähnlicher Präzision vorhergesagt werden kann, ist dies ein genauer Test des Standardmodells. Stimmen Vorhersage und Messwert nicht überein, ist dies ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells, beispielsweise von noch unentdeckten Teilchen. Bisherige Experimente fanden eine leichte Abweichung, waren aber nicht empfindlich genug, um eine zufällige Fluktuation des Messwerts als Ursache auszuschließen.

Der Magnet am Fermilab. Ursprünglich wurde er für das Vorgängerexperiment am Brookhaven National Laboratory entwickelt. Die Geometrie erlaubt ein sehr gleichförmiges Magnetfeld im Ring.

Geschichte Bearbeiten

Der Ringmagnet erreicht die Experimentierhalle MC1 am Fermilab im Juli 2014.

Der g-Faktor des Myons wurde in mehreren Experimenten gemessen. Die bislang präziseste Messung wurde bis 2001 am Brookhaven National Laboratory durchgeführt. Am Fermilab soll dieses Experiment nun mit höherer Genauigkeit fortgesetzt werden. Dazu wurde 2013 der Ring-Elektromagnet, der größte Teil des Experiments, vom Brookhaven National Laboratory über die Ostküste der USA und den Mississippi zum Fermilab transportiert. Der Magnet wurde restauriert und im September 2015 in Betrieb genommen. Tests ergaben, dass er den Transport überstanden hat, die Qualität des Magnetfelds ist gleich geblieben.

Bis Oktober 2016 wurde mit Shims das Magnetfeld noch gleichförmiger gemacht als bisher, die typische Abweichung vom Mittelwert ist dabei von 0,14 % auf 0,02 % reduziert worden.

Am 31. Mai 2017 wurden die ersten Myonen in den Ring geleitet und die Datennahme begann.

Landé-Faktor Bearbeiten

Der Landé-Faktor geladener Leptonen (Elektronen, Myonen und Tauonen) ist in etwa 2. Die kleinen Abweichungen davon („anomales magnetisches Moment“) lassen sich mit der Quantenfeldtheorie berechnen. In der Störungstheorie ist dabei g = 2 die führende Ordnung, höhere Ordnungen führen zu kleinen Korrekturen dieses Werts. Sie lassen sich mit hoher Genauigkeit berechnen. Für Elektronen stimmen Vorhersage und Experiment mit einer relativen Genauigkeit von besser als 10−12 überein, für die theoretische Vorhersage wurden dabei mehr als 10.000 Feynmandiagramme berücksichtigt. Für Myonen ist die Messung schwieriger, da sie schnell zerfallen. Auch die theoretischen Vorhersagen sind weniger genau, da aufgrund der höheren Myonmasse die Quantenchromodynamik eine größere Rolle spielt, die sich hier nicht störungstheoretisch behandeln lässt. Neue, noch unbekannte Teilchen könnten den Wert beeinflussen, je schwerer das Lepton, desto größer ist der Einfluss. Myonen haben die 200-fache Masse von Elektronen und sind daher trotz der schwierigeren Messungen besser geeignet, um nach unbekannten schweren Teilchen zu suchen. Dabei ergänzen sich Messungen des g-Faktors und die direkte Suche nach neuen Teilchen in Beschleunigern wie dem LHC. Tauonen sind zwar noch schwerer als Myonen, aber zu kurzlebig, um den Landé-Faktor zuverlässig zu messen.

Das Messergebnis des Vorgängerexperiments war 3,4 Standardabweichungen von der theoretischen Vorhersage entfernt. Am Fermilab soll nun untersucht werden, ob dies eine zufällige Fluktuation war oder ob der Wert tatsächlich von den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells abweicht. Dazu soll unter anderem die Zahl der untersuchten Myonen um einen Faktor 20 gesteigert werden.

Aufbau des Experiments Bearbeiten

Zentrales Element des Experiments ist der supraleitende Magnet mit einem Durchmesser von 14 Metern, in dem ein extrem gleichförmiges Feld herrscht. In ihm kreisen (Anti-)Myonen (μ+), bevor sie zerfallen. Die im Zerfall erzeugten Positronen werden erfasst. Aus der räumlichen und zeitlichen Verteilung der detektierten Positronen lässt sich der Landé-Faktor des Myons ermitteln.

Detektor Bearbeiten

Zwei der PbF2-Kristalle (25 mm × 25 mm × 140 mm), mit und ohne Ummantelung zusammen mit Silizium-Photomultipliern
Teil des Straw-Detektors, der die Position und Flugrichtung von Elektronen vermisst.

Die Positronen werden von 24 PbF2-Kalorimetern gemessen, die in gleichen Abständen entlang der Innenseite des Rings eingebaut sind. Die Kalorimeter messen die Energie der Positronen sowie ihre Ankunftszeit (relativ zum Einschuss der Myonen in den Ring). Ausgelesen werden die Kalorimeter mit Silizium-Photomultipliern.

Zusätzlich zu den Kalorimetern besitzt das Experiment Straw-Detektoren als Spurdetektoren. Diese werden vor allem genutzt, um die Position und Breite des Myonstrahls zu überwachen sowie die gesamte Zerfallsrate zu bestimmen.

Magnetfeld Bearbeiten

Um g-2 mit der angestrebten Genauigkeit zu vermessen, muss das mittlere Magnetfeld mit einer relativen Präzision von 7·10−8 bekannt sein. Dazu befinden sich im Ring Proton-Kernspinresonanz-Geräte. 378 davon sind fest eingebaut und messen permanent das Magnetfeld. Zusätzlich hat das Experiment einen Wagen mit 17 Messgeräten, mit denen das Magnetfeld überall entlang des Rings vermessen kann, wenn sich keine Myonen im Ring befinden. Messungen des Magnetfelds mit dem Wagen und Messungen von Myonenzerfällen wechseln sich ab; dabei wird typischerweise einmal täglich für zwei Stunden das Magnetfeld vermessen.

Ergebnisse Bearbeiten

Im April 2021 wurden von der Muon g-2 Collaboration die ersten Ergebnisse des Experiments veröffentlicht. Das Ergebnis für das anomale magnetische Moment lautete

was einer Präzision von 0,46 ppm entspricht. Dieses Ergebnis stimmt im Rahmen der Messungenauigkeiten mit den Ergebnissen des Brookhaven National Laboratory überein und liegt um 3,3 Standardabweichungen entfernt von der Vorhersage des Standardmodells. Das kombinierte Ergebnis von Brookhaven und Fermilab,

weicht insgesamt um 4,2 Standardabweichungen von der Vorhersage ab, was einer Wahrscheinlichkeit von 1:100000 für eine statistische Fluktuation entspricht.

Kollaboration Bearbeiten

Etwa 200 Wissenschaftler aus acht Ländern nehmen am Experiment teil, größtenteils aus den USA und Italien.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Muon g-2. In: muon-g-2.fnal.gov. Abgerufen am 26. April 2017 (englisch).
  2. Elizabeth Gibney: Muons’ big moment could fuel new physics. In: Nature. 544. Jahrgang, Nr. 7649, 13. April 2017, S. 145–146, doi:10.1038/544145a (englisch, nature.com).
  3. In: muon-g-2.fnal.gov. Archiviert vom Original am 1. Juli 2017; abgerufen am 29. Juni 2017 (englisch).
  4. The Big Move
  5. Muon g-2 storage ring starts a new life – CERN Courier. In: cerncourier.com. Abgerufen am 16. August 2017 (englisch).
  6. Wesley Gohn: The Muon g-2 Experiment at Fermilab.
  7. Muon Magnet's Moment Has arrived. Pressemitteilung des Fermilabs
  8. ↑ FNAL g-2 Experiment. Abgerufen am 30. April 2017.
  9. K. Hagiwara, A.D. Martin, Daisuke Nomura, T. Teubner: Improved predictions for of the muon and. In: Physics Letters B. 649. Jahrgang, Nr. 2–3, Mai 2007, S. 173–179, doi:10.1016/j.physletb.2007.04.012, arxiv:hep-ph/0611102.
  10. Jenny Lyn Holzbauer: The Muon g-2 Experiment Overview and Status as of June 2016. In: J.Phys.Conf.Ser. 770. Jahrgang, 9. Dezember 2016, S. 012038, doi:10.1088/1742-6596/770/1/012038 (inspirehep.net).
  11. ↑ J. Grange, V. Guarino, P. Winter, K. Wood, H. Zhao, R. Carey, D. gastler, E. Hazen, N. Kinnaird: Muon (g-2) Technical Design Report. In: Instrumentation and Detectors. 2015, arxiv:1501.06858.
  12. Muon g−2 Collaboration: Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. In: Physical Review Letters. Band 126, Nr. 14, 7. April 2021, S. 141801, doi:10.1103/PhysRevLett.126.141801 (aps.org [abgerufen am 8. April 2021]).
  13. Muon g-2: Collaboration. In: muon-g-2.fnal.gov. Fermi Research Alliance, abgerufen am 26. April 2017 (englisch).

Weblinks Bearbeiten

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Veröffentlichungsdatum:
Muon g 2 ist ein Teilchenphysikexperiment am Fermilab mit dem Ziel den Lande Faktor g Faktor des Myons genauer zu vermessen Der Lande Faktor beschreibt das Verhaltnis der Starke des quantenmechanischen Magnetfelds zur Erwartung aus der klassischen Physik fur Myonen ist der Faktor etwas grosser als 2 Die Abweichung von 2 soll mit einer Prazision von 0 14 ppm gemessen werden 1 Da die erwartete Abweichung mit ahnlicher Prazision vorhergesagt werden kann ist dies ein genauer Test des Standardmodells Stimmen Vorhersage und Messwert nicht uberein ist dies ein Hinweis auf Physik jenseits des Standardmodells beispielsweise von noch unentdeckten Teilchen 2 3 Bisherige Experimente fanden eine leichte Abweichung waren aber nicht empfindlich genug um eine zufallige Fluktuation des Messwerts als Ursache auszuschliessen Der Magnet am Fermilab Ursprunglich wurde er fur das Vorgangerexperiment am Brookhaven National Laboratory entwickelt Die Geometrie erlaubt ein sehr gleichformiges Magnetfeld im Ring Inhaltsverzeichnis 1 Geschichte 2 Lande Faktor 3 Aufbau des Experiments 3 1 Detektor 3 2 Magnetfeld 4 Ergebnisse 5 Kollaboration 6 Einzelnachweise 7 WeblinksGeschichte Bearbeiten nbsp Der Ringmagnet erreicht die Experimentierhalle MC1 am Fermilab im Juli 2014 Der g Faktor des Myons wurde in mehreren Experimenten gemessen Die bislang praziseste Messung wurde bis 2001 am Brookhaven National Laboratory durchgefuhrt Am Fermilab soll dieses Experiment nun mit hoherer Genauigkeit fortgesetzt werden Dazu wurde 2013 der Ring Elektromagnet der grosste Teil des Experiments vom Brookhaven National Laboratory uber die Ostkuste der USA und den Mississippi zum Fermilab transportiert 4 5 Der Magnet wurde restauriert und im September 2015 in Betrieb genommen Tests ergaben dass er den Transport uberstanden hat die Qualitat des Magnetfelds ist gleich geblieben Bis Oktober 2016 wurde mit Shims das Magnetfeld noch gleichformiger gemacht als bisher die typische Abweichung vom Mittelwert ist dabei von 0 14 auf 0 02 reduziert worden 6 Am 31 Mai 2017 wurden die ersten Myonen in den Ring geleitet und die Datennahme begann 7 Lande Faktor BearbeitenDer Lande Faktor geladener Leptonen Elektronen Myonen und Tauonen ist in etwa 2 Die kleinen Abweichungen davon anomales magnetisches Moment lassen sich mit der Quantenfeldtheorie berechnen In der Storungstheorie ist dabei g 2 die fuhrende Ordnung hohere Ordnungen fuhren zu kleinen Korrekturen dieses Werts Sie lassen sich mit hoher Genauigkeit berechnen Fur Elektronen stimmen Vorhersage und Experiment mit einer relativen Genauigkeit von besser als 10 12 uberein fur die theoretische Vorhersage wurden dabei mehr als 10 000 Feynmandiagramme berucksichtigt 8 Fur Myonen ist die Messung schwieriger da sie schnell zerfallen Auch die theoretischen Vorhersagen sind weniger genau da aufgrund der hoheren Myonmasse die Quantenchromodynamik eine grossere Rolle spielt die sich hier nicht storungstheoretisch behandeln lasst 9 Neue noch unbekannte Teilchen konnten den Wert beeinflussen je schwerer das Lepton desto grosser ist der Einfluss Myonen haben die 200 fache Masse von Elektronen und sind daher trotz der schwierigeren Messungen besser geeignet um nach unbekannten schweren Teilchen zu suchen Dabei erganzen sich Messungen des g Faktors und die direkte Suche nach neuen Teilchen in Beschleunigern wie dem LHC 8 Tauonen sind zwar noch schwerer als Myonen aber zu kurzlebig um den Lande Faktor zuverlassig zu messen Das Messergebnis des Vorgangerexperiments war 3 4 Standardabweichungen von der theoretischen Vorhersage entfernt Am Fermilab soll nun untersucht werden ob dies eine zufallige Fluktuation war oder ob der Wert tatsachlich von den theoretischen Vorhersagen des Standardmodells abweicht Dazu soll unter anderem die Zahl der untersuchten Myonen um einen Faktor 20 gesteigert werden 10 Aufbau des Experiments BearbeitenZentrales Element des Experiments ist der supraleitende Magnet mit einem Durchmesser von 14 Metern in dem ein extrem gleichformiges Feld herrscht In ihm kreisen Anti Myonen m bevor sie zerfallen Die im Zerfall erzeugten Positronen werden erfasst Aus der raumlichen und zeitlichen Verteilung der detektierten Positronen lasst sich der Lande Faktor des Myons ermitteln Detektor Bearbeiten nbsp Zwei der PbF2 Kristalle 25 mm 25 mm 140 mm mit und ohne Ummantelung zusammen mit Silizium Photomultipliern nbsp Teil des Straw Detektors der die Position und Flugrichtung von Elektronen vermisst Die Positronen werden von 24 PbF2 Kalorimetern gemessen die in gleichen Abstanden entlang der Innenseite des Rings eingebaut sind Die Kalorimeter messen die Energie der Positronen sowie ihre Ankunftszeit relativ zum Einschuss der Myonen in den Ring Ausgelesen werden die Kalorimeter mit Silizium Photomultipliern 11 Zusatzlich zu den Kalorimetern besitzt das Experiment Straw Detektoren als Spurdetektoren Diese werden vor allem genutzt um die Position und Breite des Myonstrahls zu uberwachen sowie die gesamte Zerfallsrate zu bestimmen 11 Magnetfeld Bearbeiten Um g 2 mit der angestrebten Genauigkeit zu vermessen muss das mittlere Magnetfeld mit einer relativen Prazision von 7 10 8 bekannt sein Dazu befinden sich im Ring Proton Kernspinresonanz Gerate 378 davon sind fest eingebaut und messen permanent das Magnetfeld Zusatzlich hat das Experiment einen Wagen mit 17 Messgeraten mit denen das Magnetfeld uberall entlang des Rings vermessen kann wenn sich keine Myonen im Ring befinden Messungen des Magnetfelds mit dem Wagen und Messungen von Myonenzerfallen wechseln sich ab dabei wird typischerweise einmal taglich fur zwei Stunden das Magnetfeld vermessen 11 Ergebnisse BearbeitenIm April 2021 wurden von der Muon g 2 Collaboration die ersten Ergebnisse des Experiments veroffentlicht Das Ergebnis fur das anomale magnetische Moment lautete 12 a m FNAL 116 592 040 54 10 11 displaystyle a mu text FNAL 116 592 040 54 times 10 11 nbsp was einer Prazision von 0 46 ppm entspricht Dieses Ergebnis stimmt im Rahmen der Messungenauigkeiten mit den Ergebnissen des Brookhaven National Laboratory uberein und liegt um 3 3 Standardabweichungen entfernt von der Vorhersage des Standardmodells Das kombinierte Ergebnis von Brookhaven und Fermilab a m komb 116 592 061 41 10 11 displaystyle a mu text komb 116 592 061 41 times 10 11 nbsp weicht insgesamt um 4 2 Standardabweichungen von der Vorhersage ab was einer Wahrscheinlichkeit von 1 100000 fur eine statistische Fluktuation entspricht Kollaboration BearbeitenEtwa 200 Wissenschaftler aus acht Landern nehmen am Experiment teil grosstenteils aus den USA und Italien 13 Einzelnachweise Bearbeiten Muon g 2 In muon g 2 fnal gov Abgerufen am 26 April 2017 englisch Elizabeth Gibney Muons big moment could fuel new physics In Nature 544 Jahrgang Nr 7649 13 April 2017 S 145 146 doi 10 1038 544145a englisch nature com Muon g 2 Solving a Mystery In muon g 2 fnal gov Archiviert vom Original am 1 Juli 2017 abgerufen am 29 Juni 2017 englisch The Big Move Muon g 2 storage ring starts a new life CERN Courier In cerncourier com Abgerufen am 16 August 2017 englisch Wesley Gohn The Muon g 2 Experiment at Fermilab Muon Magnet s Moment Has arrived Pressemitteilung des Fermilabs a b FNAL g 2 Experiment Abgerufen am 30 April 2017 K Hagiwara A D Martin Daisuke Nomura T Teubner Improved predictions for of the muon and In Physics Letters B 649 Jahrgang Nr 2 3 Mai 2007 S 173 179 doi 10 1016 j physletb 2007 04 012 arxiv hep ph 0611102 Jenny Lyn Holzbauer The Muon g 2 Experiment Overview and Status as of June 2016 In J Phys Conf Ser 770 Jahrgang 9 Dezember 2016 S 012038 doi 10 1088 1742 6596 770 1 012038 inspirehep net a b c J Grange V Guarino P Winter K Wood H Zhao R Carey D gastler E Hazen N Kinnaird Muon g 2 Technical Design Report In Instrumentation and Detectors 2015 arxiv 1501 06858 Muon g 2 Collaboration Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0 46 ppm In Physical Review Letters Band 126 Nr 14 7 April 2021 S 141801 doi 10 1103 PhysRevLett 126 141801 aps org abgerufen am 8 April 2021 Muon g 2 Collaboration In muon g 2 fnal gov Fermi Research Alliance abgerufen am 26 April 2017 englisch Weblinks BearbeitenOffizielle Webseite Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Muon g 2 amp oldid 238857422