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Forschungsgruppe des Exzellenzclusters PRISMA⁺⁺ lieferte entscheidende Messkapazitäten und Analysestrategien, um subtile Schwankungen eines subatomaren Teilchens zu messen
Der Breakthrough Prize in Fundamental Physics, umgangssprachlich auch als „Oskar der Wissenschaft“ bekannt, geht an „Myon g-2“, einem Zusammenschluss dreier internationale Forschungskollaborationen, die ihre bahnbrechenden Messungen an den amerikanischen Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) und Brookhaven National Laboratory sowie am CERN in der Schweiz durchführten. Über mehr als 60 Jahre hinweg arbeiteten Forschende der Kollaborationen daran, subtile Schwankungen des Myons zu messen. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) waren dabei schon in den 1970er-Jahren bei Experimenten am CERN maßgeblich beteiligt. Für das jüngste Experiment am Fermilab hat nun die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Martin Fertl am Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺ der JGU wesentliche Beiträge geleistet.
In der Begründung der Breakthrough Prize Foundation werden die „jahrzehntelangen, bahnbrechenden Beiträge der Preisträger zur Messung des anomalen magnetischen Moments des Myons“ gewürdigt, „durch die sie die Grenzen der experimentellen Präzision erweitert und eine neue Ära in der Erforschung der Physik jenseits des Standardmodells eingeleitet haben“.
Seit 1959 experimentierten Forschende, zunächst am CERN, dann in Brookhaven und schließlich am Fermilab, um die subtile Schwankung des Myons zu messen. Das Myon ist ein subatomares Teilchen, das noch nicht vollständig erforscht ist. Sein innerer Magnetismus (oder „g“) könnte auf Wechselwirkungen mit anderen, noch unentdeckten Teilchen hindeuten – sofern er präzise genug gemessen würde.
Das Myon g-2-Experiment misst sowohl die Rotationsfrequenz der „inneren Kompassnadel“ der Myonen in einem Magnetfeld als auch das Magnetfeld selbst. Daraus wird dann das anomale magnetische Moment, aμ=(g-2/2), bestimmt, die winzige Abweichung von der einfachsten theoretischen Vorhersage g=2. Daher der Name der Kollaboration: Myon g-2. Der Myonenstrahl wurde speziell für das Experiment auf dem Fermilab Muon Campus erzeugt und wies eine bisher unerreichte Reinheit auf. Um die Messung durchzuführen, schickte die Myon g-2-Kollaboration diesen Myonenstrahl wiederholt in einen supraleitenden Magnetspeicherring mit einem Durchmesser von 14 Metern, wo die Myonen durchschnittlich rund tausendmal mit nahezu Lichtgeschwindigkeit umliefen. Das dritte und letzte Messergebnis des jüngsten Experiments erreichte eine Genauigkeit von 127 Teilen pro Milliarde (ppb) und übertraf damit die Erwartungen.
Magnetfelder mit extremer Präzision messen
Martin Fertl und seine Arbeitsgruppe am Exzellenzcluster PRISMA⁺⁺ lieferten über den gesamten Messzeitraum von mehreren Jahren hinweg äußerst präzise Messungen des Magnetfelds im Myonenspeicherring. Mehrere hundert von Martin Fertl entwickelte und gebaute Kernspinresonanz-Magnetometer wurden in den Wänden der Vakuumkammern installiert, die das den Magnetspeicherring umgeben. „Mithilfe weiterer Kalibriersysteme haben wir das Magnetfeld im Speicherring mit einer Genauigkeit von mehr als 70 ppb bestimmt, das ist bisher beispiellos genau“, sagt Fertl. „Um das Magnetfeld mit einer so geringen Unsicherheit zu bestimmen, mussten wir unzählige kleine Effekte untersuchen und verstehen. So haben wir beispielsweise in speziellen Messkampagnen entdeckt, dass der Magnet sein Magnetfeld noch Tage nach dem Einschalten minimal verändert“, berichtet Dr. René Reimann, ehemaliger Postdoktorand in der Forschungsgruppe von Professor Fertl und heute Wissenschaftler an der TU Dortmund.
Der Erfolg des Myon g-2-Experiments ist eng mit seiner internationalen Ausrichtung verbunden. „Dank hochautomatisierter Abläufe konnten die in Europa ansässigen Mitglieder der Kollaboration die Nachtschichten am Fermilab übernehmen und das Experiment Tag und Nacht am Laufen halten, selbst während der weltweiten Covid-Pandemie“, fügt Hassan Qureshi, Doktorand in Fertls Forschungsgruppe, hinzu. Die Verleihung des Breakthrough Prize in Fundamental Physics 2026 an die Myon g-2-Kollaboration am 18. April 2026 kam laut Fertl für die meisten Mitglieder der Kollaboration völlig überraschend. „Wir fühlen uns zutiefst geehrt, für unser jahrzehntelanges Abenteuer zur Erforschung der grundlegenden Eigenschaften des Myons ausgezeichnet zu werden. Es war nur durch intensive internationale Zusammenarbeit mit einem gemeinsamen Ziel möglich, das Standardmodell der Teilchenphysik immer präziser zu testen und die Wunder der Natur zu enthüllen“, fasst er zusammen.
Professor Dr. Martin Fertl
Stellvertretender Institutsleiter
Institut für Physik und
Exzellenzcluster PRISMA++
Johannes Gutenberg-Universität Mainz
55099 Mainz
Telefon: +49 6131 39-20493
E-Mail: mfertl@uni-mainz.de
https://ag-fertl.physik.uni-mainz.de/
https://www.prisma.uni-mainz.de – Exzellenzcluster PRISMA++
https://www.bnl.gov/world/ – Brookhaven National Laboratory
https://www.fnal.gov/ – Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab)
https://home.cern/ – CERN
– Verleihungszeremonie des Breakthrough Prize
Myon g-2 Speicherring mit 14 Metern Durchmesser am Fermi National Accelerator Laboratory
Quelle: Ryan Postel
Copyright: Photo/©: Ryan Postel / Fermilab
Merkmale dieser Pressemitteilung:
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Physik / Astronomie
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Deutsch
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