27.04.2026 • Teilchenphysik

Rätsel um magnetisches Moment des Myons gelöst

Langjährige Unstimmigkeiten zwischen Theorie und Experiment mithilfe mehrerer Supercomputer beseitigt.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten 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.

Illustration zum magnetischen Moment des Myons

At the Breakthrough Prize ceremony on April 18, 2026, left to right: Brookhaven National Laboratory Interim Director John Hill, Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) physicist Chris Polly, Boston University physicist Lee Roberts, Fermilab Director Emeritus Young-Kee Kim, CERN Director General Mark Thomson, University of Washington physicist David Hertzog, and Brookhaven Lab physicist William Morse. (Courtesy of Kat Morse)

Das neue Ergebnis unter Mitwirkung von Forschenden der Universitäten Adelaide, Budapest, Marseille und Wuppertal 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 elf Nachkommastellen genau.

„Die Übereinstimmung zwischen Theorie und Experiment ist eine äußerst wichtige Überprüfung des Standardmodells“, erklärt Kálmán Szabó, Professor am 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, der 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.

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 Zoltán 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 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.

Am 18. April erhielten die Muon-g-2-Kollaborationen am CERN sowie zwei nationale Laboratorien des US-Energieministeriums – das Brookhaven National Laboratory und das Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) – den diesjährigen Breakthrough Prize in Fundamental Physics in Santa Monica, Kalifornien. Über einen Zeitraum von mehr als sechzig Jahren verfolgten Experimente an diesen drei Forschungseinrichtungen das Ziel, die Eigenschaften des Myons präzise zu vermessen, um das Standardmodell diesbezüglich zu überprüfen. [FZJ / BNL / FNAL / PSU / dre]