Eine seit Jahrzehnten gesuchte elektrische Eigenschaft des Myons bleibt unauffindbar, doch Physiker haben den Bereich, in dem sie sich verbergen könnte, weiter eingegrenzt.
Das Myon ist ein dem Elektron ähnliches Teilchen, jedoch etwa 207-mal massereicher und äußerst instabil. Die Forschenden untersuchen insbesondere, wie seine elektrische Ladung verteilt sein könnte. Wäre diese Verteilung leicht asymmetrisch, besäße das Myon das, was Physiker ein permanentes elektrisches Dipolmoment nennen.
Der ringförmige Speichermagnet g -2 des Fermilab besitzt eine Geometrie, die ein sehr gleichmäßiges Magnetfeld im Inneren des Rings ermöglicht.
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Konkret würde diese Eigenschaft dazu führen, dass die Ausrichtung des Myons auf ein elektrisches Feld auf ganz bestimmte Weise reagiert. Im Rahmen des Standardmodells der Teilchenphysik ist der erwartete Effekt äußerst schwach. Ein auf der Skala heutiger Experimente messbarer Wert würde daher auf ein Phänomen hinweisen, das in dieser Theorie noch fehlt.
Die Muon-g-2-Kollaboration suchte nach diesem Effekt anhand von Daten, die 2019 und 2020 am Fermilab aufgezeichnet wurden. Positive Myonen kreisten in einem Ring, der einem Magnetfeld ausgesetzt war. Bei ihrem Zerfall entstehen unter anderem Positronen. Ihre Flugbahn liefert Informationen über die Ausrichtung des Myons unmittelbar vor seinem Verschwinden.
Die Detektoren maßen daher den mittleren vertikalen Winkel dieser Positronen. Ein permanentes elektrisches Dipolmoment hätte dieser Bewegung eine kleine charakteristische Schwingung hinzugefügt. Die Analyse weist ein solches Signal nicht nach. Der gemessene Wert ist unter Berücksichtigung der statistischen und experimentellen Unsicherheiten weiterhin mit null vereinbar.
Die Forschenden legen nun eine direkte Grenze von 1,10 × 10-19 e·cm bei einem Konfidenzniveau von 95 % fest.
Die bisher beste direkte Grenze, die 2009 anhand des Brookhaven-Experiments veröffentlicht wurde, lag bei 1,80 × 10-19 e·cm. Die neue Analyse verkleinert somit den weiterhin zulässigen Bereich. Sie beweist jedoch nicht, dass das Dipolmoment des Myons exakt null ist: Sie zeigt lediglich, dass es kleiner als die hier erreichte Empfindlichkeit sein muss.
Die Studie bezieht sich nur auf einen Teil der Daten von Muon g-2, nämlich auf jene, die zwischen 2019 und 2020 aufgenommen wurden. Künftige Analysen können weitere Betriebszeiträume und verfeinerte Methoden nutzen. Die Veröffentlichung ist derzeit in Form eines Preprints auf arXiv verfügbar.