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Ein internationales Team von Physiker:innen hat die magnetischen Eigenschaften des Myons mit bislang unerreichter Genauigkeit berechnet – mithilfe von mehreren Supercomputern, inklusive Europas erster Exascale-Maschine JUPITER. Die in "Nature" veröffentlichten Ergebnisse beseitigen langjährige Unstimmigkeiten zwischen Theorie und Experiment.
Das Myon ist ein Elementarteilchen – ein kurzlebiger, schwererer „Verwandter“ des Elektrons. Seit mehr als 20 Jahren beschäftigt die Fachwelt eine kleine, aber hartnäckige Diskrepanz zwischen theoretischen Vorhersagen und hochpräzisen Messungen des magnetischen Verhaltens des Myons – ein Hinweis auf die mögliche Existenz einer neuen Physik jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik.
Zu einem Wendepunkt kam es im Jahr 2021: Eine neue Berechnung eines internationalen Teams, an dem auch Forschende aus Jülich beteiligt waren, brachte die theoretische Vorhersage wesentlich näher an den experimentellen Wert heran und stellte damit frühere Interpretationen der Abweichung infrage. Aufbauend auf dieser Arbeit hat das Team die Berechnungen weiter verfeinert, dadurch eine höhere Genauigkeit erzielt – und Theorie und Experiment nahezu perfekt in Einklang gebracht.
Das neue Ergebnis reduziert die Unsicherheit um den Faktor 1,6 und ist damit fast doppelt so präzise wie frühere Berechnungen. Die aktualisierte Vorhersage stimmt nun innerhalb von 0,5 Standardabweichungen mit neuesten experimentellen Messungen überein und liefert damit eine Bestätigung des Standardmodells auf 11 Nachkommastellen genau.
„Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist eine äußerst wichtige Überprüfung des Standardmodells“, erklärt Prof. Kálmán Szabó vom Jülich Supercomputing Centre, der den Jülicher Beitrag koordiniert hat. „Auf der theoretischen Seite fließen alle fundamentalen Wechselwirkungen ein – elektromagnetische, schwache und starke – was sehr unterschiedliche und oft hochkomplexe Rechenmethoden erfordert.“
Das Zusammenführen dieser Beiträge zu einem einzelnen Wert, welcher der Versuchsgenauigkeit entspricht, stellt eine erhebliche rechnerische Herausforderung dar. Zur Einordnung: Die experimentelle Genauigkeit erreicht ein Niveau, bei dem die Messunsicherheit bei der Bestimmung des Körpergewichts eines Menschen in der Größenordnung einer einzelnen Wimper liegt. Damit setzt es neue Maßstäbe für die Rechenpräzision.
Neue Berechnungen schließen Lücke zwischen Theorie und Experiment
Kernstück des neuen Ansatzes ist eine hochgradig exakte Berechnung des bislang unsichersten Teils der theoretischen Vorhersage, welcher mit der starken Wechselwirkung des Standardmodells zusammenhängt. Die Berechnungen wurden größtenteils auf Jülicher Supercomputern durchgeführt, darunter JUWELS, JURECA und JUPITER – Europas erster Exascale-Supercomputer – die alle am Jülich Supercomputing Centre betrieben werden.
„Dieser Teil ist äußerst schwer mit hoher Präzision zu berechnen, weil die starke Wechselwirkung über alle Energieskalen hinweg erfasst werden muss“, so Prof. Zoltan Fodor, dessen ERC Advanced Grant das Jülicher Forscherteam ebenfalls unterstützte.
Um diese Herausforderung zu bewältigen, nutzten die Forschenden einen hybriden Ansatz, bei dem sie modernste Gitter-Quantenchromodynamik-Simulationen (QCD) mit sorgfältig ausgewählten experimentellen Daten aus Elektron-Positron-Kollisionen über verschiedene Energiebereiche hinweg kombinierten. Dieses Vorgehen ermöglicht eine Präzision, die keine der beiden Methoden für sich allein erreichen könnte.
Im Ergebnis lässt sich das Verhalten des Myons nun vollständig im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik beschreiben – ohne Hinweise auf bisher unbekannte physikalische Phänomene.
A. Cotellucci, Z. Fodor, D. Giusti, A. Kotov, T. Lippert, K. Szabo mit Forscher:innen der Universitäten Adelaide, Budapest, Marseille und Wuppertal
Hybrid calculation of hadronic vacuum polarization in muon g-2 to 0.48%
Nature (2026), DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-026-10449-z
https://Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich: https://www.fz-juelich.de/de/aktuelles/news/pressemitteilungen/2026/myon
Criteria of this press release:
Journalists, Scientists and scholars
Information technology, Mathematics, Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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