Das Myon-g-2-Experiment setzt neue Einschränkungen auf eine verbotene Eigenschaft von Myonen

Wissenschaftler, die am Muon g-2-Experiment am Fermilab arbeiten, haben eine neue Einschränkung für eine seltene Eigenschaft von Muonen bekannt gemacht, die als elektrischer Dipolmoment (EDM) bekannt ist. Die Ergebnisse, die auf einer Analyse von 25 Prozent der während des Experiments gesammelten Daten basieren, stellen die bislang sensibelste direkte Suche nach einem Muon-EDM dar. Die auf dem arxiv-Preprint-Server veröffentlichte Studie ist die erste solche Suche, die im Fermilab durchgeführt wurde, und nur die dritte in den letzten fünf Jahrzehnten weltweit. Die Muon g-2-Kollaboration, die seit 2008 im Fermilab tätig ist, konzentrierte sich zuvor auf die Messung des magnetischen Dipolmoments des Muons, einer Eigenschaft, die durch den Buchstaben g beschrieben wird.

Diese Arbeit gipfelte in einer großen Ankündigung im vergangenen Jahr bezüglich der magnetischen Anomalie des Muons. Jetzt haben die Forscher ihre Aufmerksamkeit auf eine andere potenzielle Eigenschaft des Muons gerichtet: sein EDM. Das Experiment beinhaltet das Senden von Anti-Muon-Strahlen in einen supraleitenden magnetischen Speicherring, wo sie sich mit Lichtgeschwindigkeiten bewegen. Diese Partikel zerfallen, nachdem ihre Lebensdauer durch relativistische Effekte verlängert wurde, was es Wissenschaftlern ermöglicht, ihr Verhalten im Detail zu untersuchen. Detektoren um den Ring herum erfassen die Zerfallserzeugnisse und liefern Einblicke in die Bewegung der Muonen und ihre Wechselwirkungen mit magnetischen und elektrischen Feldern.

Der EDM ist ein Maß für die Trennung von positiven und negativen Ladungen innerhalb eines Teilchens. Wenn er vorhanden ist, würde er auf eine Verletzung bestimmter grundlegender Symmetrien in der Physik hindeuten und möglicherweise Hinweise auf das im Universum beobachtete Ungleichgewicht zwischen Materie und Antimaterie liefern. Gemäß den neuesten Ergebnissen muss ein Muon-EDM, wenn es existiert, kleiner sein als der aktuelle Detektionsschwellenwert des Experiments. Joe Price, ein Co-Leader der EDM-Analyse von der Universität Liverpool, erklärte, dass das Setup, das zur Messung des magnetischen Dipolmoments verwendet wird, versehentlich eine gewisse Empfindlichkeit für den EDM bietet.

"Wenn man alles so einrichtet und alle Parameter des Experiments so abgestimmt, dass man das magnetische Dipolmoment so gut wie möglich misst, gibt es zufällig auch eine gewisse Empfindlichkeit für das elektrische Dipolmoment", sagte er. "Das Muon g-2-Experiment baut auf einer früheren Version auf, die im Brookhaven National Laboratory durchgeführt wurde und 2001 beendet wurde". Die Fermilab-Iteration beinhaltet Verbesserungen, die die Präzision erhöhen und systematische Fehler reduzieren. Der hochenergetische Protonenbeschleuniger der Anlage produziert die für das Experiment notwendigen Muonstrahlen, während fortschrittliche Tracking-Systeme die Partikelbahn aufzeichnen.

Die Entdeckung eines kleinen EDM in einem Fundamentaldünnen könnte Hinweise auf neue physikalische Phänomene über das Standardmodell hinaus liefern. Das Standardmodell selbst sagt voraus, dass das EDM eines Myones zu klein wäre, um mit der aktuellen Technologie gemessen zu werden. Daher würde jeder entdeckte Wert, der nicht Null ist, die Existenz unbekannter Kräfte oder Teilchen signalisieren, die das Verhalten des Myonen beeinflussen. Gavin Hesketh, ein anderer Co-Leader der EDM-Analyse von der Universität Liverpool, betonte, dass der Hauptfokus des g-2-Experiments auf neue Physik liegt, die nicht mit der Materie-Antimaterie-Asymmetrie zusammenhängt.

Die Fähigkeit des Experiments, die EDM zu untersuchen, beruht auf den extremen Bedingungen, unter denen Myonen untersucht werden. Ihre relativistischen Geschwindigkeiten verstärken sowohl ihre Lebensdauer als auch die elektrischen Felder, die sie erfahren, wodurch die Wahrscheinlichkeit erhöht wird, sogar winzige EDM-Effekte zu erkennen. Diese Verbesserung ermöglicht es Forschern, Theorien zu testen, die Abweichungen vom Standardmodell vorhersagen. Mit den aktuellen Daten hat das Team strengere Grenzen für die Myon-EDM festgelegt und die Grundlage für weitere Untersuchungen geschaffen, sobald mehr Daten verfügbar sind. Zukünftige Studien werden sich auf den vollständigen Datensatz stützen, der während des Experiments gesammelt wurde, was diese Einschränkungen noch weiter verfeinern verspricht.

Die Forscher gehen davon aus, daß die künftigen Analysen die Grenzen dessen, was mit dem Muon g-2-Gerät gemessen werden kann, weiter erweitern werden.