Neue Erkenntnisse über die anomalen magnetischen Momente von Elektronen und Myonen

Einige Feynman-Diagramme. Die Berechnungen umfassten alle 12.672 relevanten Diagramme für das Elektron. ((c) 2012 American Physical Society)
Einige Feynman-Diagramme. Die Berechnungen umfassten alle 12.672 relevanten Diagramme für das Elektron. ((c) 2012 American Physical Society)

Eine zehn Jahre andauernde Studie liefert einen außergewöhnlichen Genauigkeitsgrad für die Abschätzung der inneren, magnetischen Eigenschaften zweier subatomarer Teilchen.

Das Elektron ist in jedem Atom vorhanden und spielt eine Schlüsselrolle bei fast jeder chemischen Reaktion. Deshalb ist ein vollständiges Verständnis seiner physikalischen Eigenschaften unverzichtbar. Forscher des RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science und ihre Kollegen von der Nagoya University in Japan und der Cornell University in den USA haben die präzisesten Berechnungen der magnetischen Eigenschaften des Elektrons und eines ähnlichen, schwereren Teilchens, dem Myon, komplettiert. Diese Ergebnisse (Abstract 1 und Abstract 2) liefern einen strikten Test des Wissens, das Physiker von der subatomaren Welt haben.

Die genaueste Theorie zur Beschreibung von Elementarteilchen, die Wissenschaftler bislang formuliert haben, wird als das “Standardmodell” bezeichnet. Dieses Modell teilt fundamentale Teilchen in drei breite Kategorien ein:

  • Quarks, die den Großteil der Masse um uns herum ausmachen
  • Eichbosonen, die für die Kräfte verantwortlich sind, die diese Materie zusammenhalten
  • und Leptonen, zu denen das Elektron und das Myon gehören

Leptonen werden durch ihre Masse, ihre elektrische Ladung und ihr magnetisches Moment charakterisiert, letzteres ist ein Maß für die inneren, magnetischen Eigenschaften des Teilchens.

Der britische Wissenschaftler Paul Dirac sagte voraus, dass das magnetische Moment von Leptonen exakt Zwei sein sollte. Forscher wissen jedoch seit langer Zeit, dass der tatsächliche Wert aufgrund von Quanteneffekten leicht von dieser perfekten Zahl abweicht. Die RIKEN-Forscherin Makiko Nio und ihre Kollegen haben modernste Computeranalysen dieses anomalen magnetischen Moments für das Elektron und das Myon durchgeführt.

Teilchenphysiker beschreiben das Verhalten von Elementarteilchen, indem sie bildliche Darstellungen – sogenannte Feynman-Diagramme – verwenden (siehe Bild). Nio und ihre Mitarbeiter bezogen alle 12.672 Feynman-Diagramme in ihre Berechnungen ein, die für das anomale magnetische Moment des Elektrons relevant sind – weit mehr als in jeder bisherigen Arbeit. “Um diese umfassenden und mühsamen Berechnungen zu erledigen, entwickelten wir ein automatisiertes Code-Erzeugungssystem und führten fast zehn Jahre lang Berechnungen mit Supercomputern des RIKEN Instituts durch”, sagt Nio. Dadurch waren sie imstande, einen Wert für das anomale magnetische Moment des Elektrons anzugeben, der bis auf 0,24 Teile pro Milliarde genau war. “Mit diesen Ergebnissen haben wir auch den weltbesten Wert für die Feinstrukturkonstante geliefert, die die Stärke von elektromagnetischen Wechselwirkungen bestimmt”, sagt sie.

Die Forscher führten zudem ähnliche Berechnungen durch, um eine genauere Schätzung über das anomale magnetische Moment des Myons abzugeben. Ihr verbesserter Wert bestätigt das vorherige Resultat, welches nicht exakt mit dem vom Standardmodell vorhergesagten Wert übereinstimmt. Die Wissenschaftler glauben, dass diese Diskrepanz zwischen der Messung und der theoretischen Vorhersage zu neuen Erkenntnissen führen könnte, die über das Standardmodell der Elementarteilchen hinausgehen.

Quelle: http://www.rikenresearch.riken.jp/eng/research/7157.html

(THK)

Werbung

Ersten Kommentar schreiben

Antworten

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht.


*