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Hadronische Beiträge zu elektrochwachen Observablen

John von Neumann Exzellenzprojekt 2016;
Dr. Karl Jansen, DESY Zeuthen

Photo Dr. Karl JansenDr. Karl Jansen

Das "John von Neumann Exzellenz Project 2016" von Dr. Karl Jansen vom Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) ist eingebettet im Forschungsfeld der Gittereichtheorie. In der Gittereichtheorie werden im großen Umfang numerische Simulationen auf Höchstleistungsrechnern durchgeführt und zwar im Falle von Jansens Projekt auf JUQUEEN am Jülich Supercomputing Centre.

In dem Projekt wurden bis zu 65536 Prozessorkerne simultan auf JUQUEEN benutzt. Das spezifische Projekt von Dr. Jansen beschäftigt sich mit Abweichungen vom klassischen Wert des anomalen magnetischen Momentes des Spin-1/2-Muons. Das Muon ist ein Lepton und sehr ähnlich zum Elektron mit einer allerdings 200mal schwereren Masse. Die erwähnten Abweichungen sind reine Quanteneffekte, siehe Abb. 1, und liefern deshalb eine direkte Evidenz für Physik jenseits des Standardmodells der Hochenergiephysik, da neue, bisher unentdeckte Elementarteilchen für signifikante Korrekturen zum klassischen Wert des magnetischen Momentes verantwortlich sein können.

Das magnetische Moment des Muons kann experimentell sehr genau mit sieben signifikanten Stellen gemessen werden. Um Abweichungen zum Standardmodell zu finden, müssen die theoretischen Vorhersagen deshalb entsprechend genau sein. Unglücklicherweise waren in der Vergangenheit die Gittersimulationen zur Berechnung des magnetischen Momentes des Muons (oder präziser, seiner hadronischen Beiträge) recht ungenau und es schien so, als ob es nicht möglich wäre, die experimentelle Genauigkeit zu erreichen.

Dr. Jansen konnte aber zwei Bereichen wichtige Fortschritte erzielen. Er und sein Team entwickelten eine neue Methode, um das Muon magnetische Moment zu berechnen, die zu einer signifikanten Reduktion des Fehlers führte. Er konnte zudem Simulationen direkt in der gewünschten physikalischen Situation durchführen,
ein Schritt, der in der Vergangenheit nicht möglich war und zu einer großen systematischen Unsicherheit Anlass gab.

Der Spin des MuonsAbb. 1: Der Spin des Muons. Links: klassisch ist der Wert des Spins 1/2. Rechts: wenn Quantenkorrekturen auftreten (hier die Erzeugung von Elektron-Positron-Paaren), wird das Muon deformiert und eine Abweichung vom Wert 1/2 kann theoretisch mit hoher Präzision vorhergesagt werden. Diese Abweichung konnte experimentell tatsächlich nachgewiesen werden.

Abb.2 zeigt einen Vergleich von Größen, die in der physikalischen Situation mit den Gittersimulationen berechnet wurden, und denselben Größen aus experimentellen Befunden. Dass diese Größen so gut übereinstimmen, bestätigt die Gültigkeit der Gitterrechnungen.

Die beiden erreichten Fortschritte von Dr. Jansen und seinem Team führten dazu, dass der Theoriefehler aus den Gitterrechnungen bereits jetzt vergleichbar ist mit demjenigen aus dem Experiment. Dies eröffnet die vielversprechende Möglichkeit, dass in Zukunft sogar die noch weiter reduzierten experimentellen Fehler, wie sie am Fermilab und bei J-Parc erzielt werden können, erreicht werden, was zu möglichen Hinweisen auf eine Physik jenseits des Standardmodells führen kann.

Verhältnisse von grundlegenden physikalischen Größen (Qlat) aus den Gitterrechnungen und experimentellen/phänomenologischen Resultaten (Qphys) von der Particle Data GroupAbb 2: Verhältnisse von grundlegenden physikalischen Größen (Qlat) aus den Gitterrechnungen und experimentellen/phänomenologischen Resultaten (Qphys) von der Particle Data Group


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