Doorbraak in muononderzoek: magnetische momentprecisie bereikt!

Doorbraak in muononderzoek: magnetische momentprecisie bereikt!

Op 3 juni 2025 presenteerde de Muon g-2-samenwerking zijn derde en laatste meting van het afwijkende magnetische moment van de muon. Deze nieuwe analyse kwam uit op een experimentele waarde van aμ = (g−2)/2 = 0,001 165 920 705 ± 0,000 000 000 148 en overtrof de oorspronkelijke doelstellingen met een onverwacht hoge nauwkeurigheid van 127 delen per miljard. Dit toont opmerkelijke vooruitgang aan op het gebied van precisiemetingen, die een belangrijke rol spelen in de moderne deeltjesfysica.

De metingen zijn uitgevoerd in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) en omvatten gegevens van een zes jaar durende onderzoeksfase die duurde tot 9 juli 2023. Gedurende deze periode werden ruim 308 miljard muonen gemeten, waarbij de nauwkeurigheid van de meting verbeterde van 200 naar 127 delen op een miljard. Prof. Dr. Martin Fertl van de Johannes Gutenberg Universiteit Mainz is de enige Duitse onderzoeker in de internationale Muon g-2-samenwerking, die bijna 180 wetenschappers uit 37 instellingen in zeven landen samenbrengt.

Een blik op het muon g-2-experiment

Het Muon g-2-experiment volgt de precessie van het magnetische moment van muonen, die vergelijkbaar zijn met hen, maar ongeveer 200 keer zwaarder zijn dan elektronen. Deze fundamentele deeltjes hebben een relatief korte levensduur en uitgebreide eigenschappen die worden beïnvloed door vacuümfluctuaties. Deze fluctuaties zijn ook de reden voor de huidige afwijking van het afwijkende magnetische moment, dat ongeveer 0,1% afwijkt van de theoretische waarde. Het experiment maakt gebruik van een supergeleidende magnetische ring met een diameter van 14 meter om de muonen onder gecontroleerde omstandigheden te analyseren.

De nieuwste resultaten komen overeen met eerdere metingen uit 2021 en 2023, maar boden nieuwe, nauwkeurigere gegevens. Het Muon g-2 Theory Initiative heeft tegelijkertijd nieuwe voorspellingen gepubliceerd voor het afwijkende magnetische moment, die een theoretische waarde opleveren van aμ = (g−2)/2 = 0,001 165 920 33 ± 0,000 000 000 62, gebaseerd op rooster-QCD-berekeningen. Deze overeenkomst zou het bewijs kunnen leveren dat er fysische verschijnselen bestaan ​​die verder gaan dan het Standaardmodel.

Verbindingen met donkere materie

Onderzoek naar het afwijkende magnetische moment zou ook belangrijke inzichten kunnen opleveren in donkere materie, die wordt beschouwd als de basisbouwsteen voor de structuren in het universum. Natuurkundigen zoeken naar donkere materie met behulp van twee methoden: door directe experimenten met deeltjesversnellers zoals de Large Hadron Collider, en door indirecte studies van bekende fysische processen die precisie vereisen. De metingen bij Fermilab hebben aangetoond dat muonen in staat zijn om in het vacuüm naar virtuele deeltjes te zoeken en zo mogelijk nieuwe deeltjes te ontdekken waaruit donkere materie zou kunnen bestaan.

De experimenten bij Fermilab hebben ook een revolutie teweeggebracht in het begrip van theoretische berekeningen die in het verleden afweken van observaties. In het meest recente onderzoek kwamen nieuwe inzichten voort uit een meer gedetailleerde beschouwing van vacuümfluctuaties, waardoor de afwijkingen van het standaardmodel begrijpelijker werden.

Hoewel het Muon g-2-experiment nu voltooid is, zou het nog steeds als benchmark kunnen dienen voor toekomstige metingen. Een ander experiment in Japan is gepland om in de jaren 2030 aanvullende gegevens te verschaffen, zij het met lagere nauwkeurigheid. De uitdaging is het interpreteren van de resultaten en het vinden van antwoorden op de vragen die de laatste resultaten oproepen, inclusief de noodzaak om te verduidelijken waarom er geen nieuwe deeltjes zijn ontdekt in de LHC.

Recente onthullingen en ontwikkelingen in de theoretische natuurkunde maken duidelijk dat de soms tegenstrijdige resultaten van muon g-2 en de LHC-experimenten zouden kunnen leiden tot een spannende fase in de deeltjesfysica waarin oude theorieën in twijfel worden getrokken en nieuwe ideeën worden ontwikkeld om het universum en zijn fundamentele krachten beter te begrijpen.

Last but not least definieert de Muon g-2-samenwerking het pad voor toekomstige wetenschappelijke ontdekkingen en bevordert het het begrip van fundamentele fysieke concepten die verder gaan dan wat we voorheen als vanzelfsprekend beschouwden.

Meer informatie en details over het onderzoek vindt u hier hier, over de rol van donkere materie hier en om de zoektocht naar nieuwe deeltjes te bespreken hier.