Myon g-2 Experiment | Astronomie.de - Der Treffpunkt für Astronomie

Myon g-2 Experiment

P_E_T_E_R

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Die Sensation ist da:

Muon g-2 Experiment Publishes Stronger Challenge to the Standard Model

Combined Fermilab and Brookhaven results show 4.2-σ discrepancy

April 7, 2021—A new measurement of the muon magnetic moment published in the Physical Review journals further undermines our best theoretical model of the subatomic world.

The Muon g–2 Collaboration reports a positive muon magnetic anomaly measured to a precision of 0.46 parts per million in Physical Review Letters. The first run of data from Fermilab shows excellent agreement with a discrepancy between theory and observation found at Brookhaven National Laboratory two decades ago.

A publication in Physical Review A documents the monitoring, calibration, and weighting required to achieve an exact measurement of the magnetic field the muons experienced at Fermilab. Meanwhile, calculations published in Physical Review D reveal how the group extracted the anomalous precession frequency from four data sets. Independent algorithms compared the rate of wobble with the frequency of circular motion around the ring.

A paper on small corrections due to effects from muon beam dynamics appears in Physical
Review Accelerators and Beams.

The landmark result strengthens growing evidence for the incompleteness of the Standard Model, including the recent 3.1-sigma anomaly in the interactions of electrons and muons reported by the Large Hadron Collider beauty detector. The Fermilab Muon g–2 experiment continues to collect data. Plans are underway to analyze at least five total runs, which will reveal with even greater certainty whether the Standard Model is in need of revision.

References
Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm
B. Abi et al. (The Muon g–2 Collaboration), Phys. Rev. Lett.

Magnetic Field Measurement and Analysis for the Muon g–2 Experiment at Fermilab
T. Albahri et al. (The Muon g–2 Collaboration), Phys. Rev. A

Measurement of the Anamolous Precession Frequency of the Muon in the Fermilab Muon g–2 Experiment
T. Albahri et al. (The Muon g–2 Collaboration), Phys. Rev. D

Beam Dynamics Corrections to the Run-1 Measurement of the Muon Anomalous Magnetic
Moment at Fermilab
T. Albahri et al. (The Muon g–2 Collaboration), Phys. Rev. Accel. Beams


Fermilab_g-2_(E989)_ring.jpg

Credit: Fermilab/Wikipedia (File:Fermilab g-2 (E989) ring.jpg - Wikimedia Commons)
 
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P_E_T_E_R

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en.wikipedia.org .................................... Muon g-2

de.wikipedia.org .................................... Muon g-2

The three data-taking periods (Run-1, Run-2, and Run-3) have been completed, with Run-4 currently ongoing. The results from the analysis of the Run-1 data were announced and published on April 7, 2021.
 

P_E_T_E_R

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The New York Times

Finding From Particle Research Could Break Known Laws of Physics

It’s not the next Higgs boson — yet. But the best explanation, physicists say, involves forms of matter and energy not currently known to science.
 

P_E_T_E_R

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Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm

We present the first results of the Fermilab Muon g−2 Experiment for the positive muon magnetic anomaly a_μ ≡ (g_μ − 2)/2. The anomaly is determined from the precision measurements of two angular frequencies. Intensity variation of high-energy positrons from muon decays directly encodes the difference frequency ωa between the spin-precession and cyclotron frequencies for polarized muons in a magnetic storage ring. The storage ring magnetic field is measured using nuclear magnetic resonance probes calibrated in terms of the equivalent proton spin precession frequency ̃ω_0_p in a spherical water sample at 34.7°C. The ratio ω_a/ω ̃_0_p, together with known fundamental constants, determines a_μ (FNAL) = 116 592 040(54) × 10−11 (0.46 ppm). The result is 3.3 standard deviations greater than the Standard Model prediction and is in excellent agreement with the previous BNL E821 measurement. After combination with previous measurements of both μ+ and μ−, the new experimental average of a_μ (Exp) = 116 592 061(41)×10−11 (0.35 ppm) increases the tension between experiment and theory to 4.2 standard deviations.
 

maximilian

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Hallo!

Okay. Den vermutlich verständlich geschriebenen Artikel in der „New York Times“ kann ich leider nicht lesen, weil man dafür Abonnent dieser Zeitung sein muß, und bei den übrigen Links helfen mir meine akademischen Würden in Ingenieurswissenschaften leider nicht wirklich weiter. Die könnten genausogut in Agyptischen Hieroglyphen aus dem Alten Reich geschrieben sein...

Gibt es vielleicht eine Zusammenfassung in maximal 50 Worten aus der hervorgeht, worin genau diese physikalische Revolution besteht?

Fragende Grüße
Maximilian
 

Nebelhorn

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Hallo,

das aktuelle Standardmodell der Teilchenphysik beschreibt bisher quasi (fast) alle Messungen. Das ist ein Problem, weil man weiß, dass das Standardmodell z. B. bei hohen Energien zusammenbricht. Die aktuelle Theorie kann deshalb nicht die endgültige sein. Die Messung des magnetischen Momentes des Muons kann jetzt (bisher zumindest) nicht mehr vom Standardmodell beschrieben werden. Es muß also eine Physik geben, die wir noch nicht kennen. Beispielsweise könnte die Abweichung zwischen Messung und Theorie von bislang unbekannten Teilchen herrühren, die man bei der Berechnung der Vorhersage berücksichtigen müsste.

Viele Grüße
Jörg
 
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AstroPZ

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Hi,

hier ist ein cooles, erläuterndes Video zu g-2 von einem Mastermind des Fermilab, Don Lincoln:


Gruß
Peter
 

P_E_T_E_R

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Hallo Maximilian und allerseits - sorry bzgl. des eingeschränkten Zugangs zu dem NYT-Artikel. Das ist schade, denn der Autor Dennis Overbye schreibt immer sehr gute und allgemein verständliche Artikel. Ich könnte den Text zwar hier reinkopieren, befürchte dann aber copy right Ärger, also lassen wir das lieber. Die Quintessenz wird auch in den oben verlinkten Wikipedia Artikeln erklärt, wenngleich ohne den unterhaltsamen Gestus des Zeitungsartikels.

Als Experimentalphysiker kenne ich viele der Akteure auch von früheren Generationen dieser g-2 Experimente am CERN und bei Brookhaven und verfolge das Ganze deshalb mit beruflichem Interesse, wenngleich ich daran nicht direkt beteiligt bin.

Für Außenstehende, auch wissenschaftlich Interessierte, ist es tatsächlich schwer begreiflich, warum eine Konstante wie das magnetische Moment des Myons mit derartiger Besessenheit verfolgt wird, und das betrifft nicht nur den experimentellen, sondern auch den theoretischen Aspekt. Die Erklärung gründet sich darin, dass man diese Größe auf der Grundlage der bekannten Physik mit einer schier unglaublich hohen Präzision berechnen kann.

Allerdings ist dafür ein beträchtlicher Aufwand verbunden. Allein für die Berechnung der dominierenden elektromagnetischen Terme wurden unzählige Feynman Grafen bis zur fünften Ordnung in der Feinstrukturkonstante α ausgewertet. Zusätzlich kommen bei zunehmender Präzision auch noch elektro-schwache und hadronische Effekte ins Spiel. Um diesen Aufwand zu bewältigen wurde eigens zu diesem Zweck eine Kollaboration von 132 Theoretikern gebildet, so weit ich weiß ein Novum in der Geschichte der Physik!

Mit freundlichen Grüßen,
Peter

Physicists publish worldwide consensus of muon magnetic moment calculation

1-physicistspu.jpg

Standard Model theory: The chart on the left shows the contributions to the value of the anomalous magnetic moment from the Standard Model of particles and interactions. About 99.994% comes from contributions due to the electromagnetic force while the hadronic contributions account for only 0.006% (note the blue sliver). The right chart shows the contributions to the total uncertainty in the theoretical prediction. About 99.95% of the total error in the theoretical prediction is due the uncertainties in the hadronic corrections, while, at about 0.05% of the total error, the uncertainties in the electromagnetic and electroweak contributions are negligibly small. (QED – quantum electrodynamic forces; EW – electroweak forces; HVP – hadronic vacuum polarization; HLbL – hadronic light-by-light).
Image: Muon g-2 Theory Initiative. Credit: Brookhaven National Laboratory



The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model

We review the present status of the Standard Model calculation of the anomalous magnetic moment of the muon. This is performed in a perturbative expansion in the fine-structure constant α and is broken down into pure QED, electroweak, and hadronic contributions. The pure QED contribution is by far the largest and has been evaluated up to and including O(α^5 ) with negligible numerical uncertainty. The electroweak contribution is suppressed by (m_µ/M_W)² and only shows up at the level of the seventh significant digit. It has been evaluated up to two loops and is known to better than one percent. Hadronic contributions are the most difficult to calculate and are responsible for almost all of the theoretical uncertainty. The leading hadronic contribution appears at O(α²) and is due to hadronic vacuum polarization, whereas at O(α³) the hadronic light-by-light scattering contribution appears ... The largest part of this review is dedicated to a detailed account of recent efforts to improve the calculation of these two contributions with either a data-driven, dispersive approach, or a first-principle, lattice-QCD approach. The final result reads a_µ^SM = 116 591 810(43) × 10−11 and is smaller than the Brookhaven measurement by 3.7σ.

Physicists publish worldwide consensus of muon magnetic moment calculation
 
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Pitufito

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Okay. Den vermutlich verständlich geschriebenen Artikel in der „New York Times“ kann ich leider nicht lesen,
Echt schade das dieser Artikel nicht lesbar ist in Deutschland. Im Ausland hier ohne Abo habe da keine Problem hier.
Danke für die Aktualität, habe leider wenig Zeit für intensive Recherchen von meiner Seite aus, aber lese viel zu gerne!
Thumbs up!

CS, Martin
 

hhh

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Scheint eine deutsche Spezialität zu sein, dass das nicht lesbar ist. In Österreich geht das ohne Probleme. Interessanter Artikel, danke für den Link.
 

Hans Zekl

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Hallo,

merkwürdig, bei mir funktioniert der Link zur NYT und ich sitze in D. Allerdings gab es am 6. April eine Korrektur. Vielleicht war er deshalb zeitweise nicht zugänglich.

Gruß
Hans
 

maximilian

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Hallo!

Dann habe ich vielleicht gestern wirklich einen schlechten Moment erwischt. Ein freunlicher Forenkollege hat mir den Artikel zukommen lassen, so dass ich ihn trotzdem lesen konnte :)

Grüße
Maximilian
 

P_E_T_E_R

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Das ist natürlich pikant: zeitgleich mit der Veröffentlichung des neuen experimentellen Ergebnisses erscheint bei Nature eine weitere theoretische Arbeit, die im Unterschied zu dem oben zitierten Konsensus von 132 Theoretikern KEINE Diskrepanz mit dem experimentellen Messwert findet. Dabei handelt es sich um QCD Gittersimulationen eben jener hadronischer Effekte, die bei den Unsicherheiten dominieren:

Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD

We use ab initio quantum chromodynamics (QCD) and quantum electrodynamics simulations to compute the LO-HVP contribution. We reach sufficient precision to discriminate between the measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and the predictions of dispersive methods. Our result favours the experimentally measured value over those obtained using the dispersion relation.

Das vollständige Preprint kam schon im August letzten Jahres heraus: arxiv.org/pdf/2002.12347.pdf

In dem von Mark verlinkten Artikel bei quantamagazine wird diese Gruppe nach den Initialen der Gründungsinstitute Budapest, Marseille, Wuppertal BMW benannt! Dort wir auch erklärt, warum der Konsensus-Report das abweichende BMW-Ergebnis bislang nicht berücksichtigt.

Dieses theoretische Schisma wird uns mit Sicherheit noch eine ganze Weile beschäftigen ...
 
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AstroPZ

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Das ist natürlich pikant: zeitgleich mit der Veröffentlichung des neuen experimentellen Ergebnisses erscheint bei Nature eine weitere theoretische Arbeit, die im Unterschied zu dem oben zitierten Konsensus von 132 Theoretikern KEINE Diskrepanz mit dem experimentellen Messwert findet. Dabei handelt es sich um QCD Gittersimulationen eben jener hadronischer Effekte, die bei den Unsicherheiten dominieren:

Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD

We use ab initio quantum chromodynamics (QCD) and quantum electrodynamics simulations to compute the LO-HVP contribution. We reach sufficient precision to discriminate between the measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and the predictions of dispersive methods. Our result favours the experimentally measured value over those obtained using the dispersion relation.

Das vollständige Preprint kam schon im August letzten Jahres heraus: arxiv.org/pdf/2002.12347.pdf

In dem von Mark verlinkten Artikel bei quantamagazine wird diese Gruppe nach den Initialen der Gründungsinstitute Budapest, Marseille, Wuppertal BMW benannt! Dort wir auch erklärt, warum der Konsensus-Report das abweichende BMW-Ergebnis bislang nicht berücksichtigt.

Dieses theoretische Schisma wird uns mit Sicherheit noch eine ganze Weile beschäftigen ...
Na super, keiner weiß was nichts. ;)

Fermilab wird natürlich daran interessiert sein, dass es eine spektakuläre Erklärung für sein Experiment gibt. ;)
Aber sie sind auch mM Wissenschaftler genug, dass sie auch "einfachere" Erklärungen akzeptieren und unterstützen werden.

Gruß
Peter
 

konfokal

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Hallo.

Ich bin weit davon entfernt auch nur eine ungefähre Vorstellung von den fachlichen Zusammenhängen zu haben, um die es geht...

Aber, wenn meine Erinnerung nicht trügt, hatte man am Fermilab auch in der Vergangenheit gelegentlich immer mal wieder das Bedürfnis an die Öffentlichkeit zu treten mit irgendeiner Art "möglicherweise sensationellem" Ergebnis... Das war z.B. im Umfeld der Higgs-Untersuchungen so, wo aufsehenerregende Ankündigungen gemacht wurden, besonders, je näher das Ende des Tevatrons kam - und sogar noch mehrere Jahre danach quasi "posthum" in den Datensätzen "möglicherweise großartige" Entdeckungen deklariert wurden...

Vielleicht schwingen irgendwo auch leise ein paar Enttäuschungen aus der Vergangenheit mit, wenn sie jetzt angesichts der aufwendigen Kampagne unbedingt von einem quasi "Mars-Lande-Erlebnis" sprechen wollen? Ich kann es nicht beurteilen, fände aber aber angesichts der komplexen theoretischen Kalkulationen einen vorsichtigeren Tonfall eher angemessen, wie ihn dieser kurze Übersichtsartikel anschlägt:

Klingt nach der Kategorie : "Not even wrong..."

Gruß,
Mathias
 

P_E_T_E_R

Mitglied
Aber, wenn meine Erinnerung nicht trügt, hatte man am Fermilab auch in der Vergangenheit gelegentlich immer mal wieder das Bedürfnis an die Öffentlichkeit zu treten mit irgendeiner Art "möglicherweise sensationellem" Ergebnis...
Naja, mal ehrlich, welches Forschungslabor hätte wohl nicht solch ein Bedürfnis?

Das gerade veröffentlichte Ergebnis am Fermilab bestätigt das zwanzig Jahre alte Brookhaven Experiment. Das waren jeweils gigantische Anstrengungen, an denen überhaupt nichts zu kritisieren ist.

Die Kontroverse betrifft die theoretische Berechnung - da ist ein Fingerzeig auf Fermilab nun wirklich schäbig und fehl am Platz.
 

konfokal

Mitglied
An den experimentellen Anstrengungen und Meßergebnissen kritisiert keiner was, und Sensationsbedürfnis wäre bei dem Aufwand und den Implikationen durchaus verständlich und berechtigt.

Ob die Resultate dazu taugen, das aber ist die Frage... So wie es aussieht, lag schon seit beinahe einem Jahr eine unabhängige und von anderen Leuten mit enormem Aufwand durchgeführte theoretische Berechnung vor, die sich mit den neuen und alten Meßergebnissen gut deckt.

Diese unspektakuläre Bestätigung wurde vom Fermilab jedoch lieber ausgeblendet. Man hat es stattdessen vorgezogen, sich auf eine eigene mehr datenbasierte Berechnungsmethodik zu berufen, wodurch eine (schon bekannte und willkommene) Diskrepanz noch etwas weiter ausgebaut wurde, und dies als Sensation angekündigt - was natürlich ein zukunftsträchtiges Szenario bedeutet.

Nachvollziehbar. Unverständlich ist mir aber, inwiefern es schäbig sein soll Leute zu zitieren, die auf diese Begleitumstände hinweisen und sich erstmal eine vorsichtigere Interpretation wünschen... So hatte ich jedenfalls auch einen aus dem Umfeld der "BMW"-Kooperation verstanden, der sich in den Kommentaren zum Link auf Peter Woits Blog zu Wort meldet und hofft, dass noch andere Gruppen unabhängige theoretische Vorhersagen machen werden, und andere ebenso versuchen sollten, unabhängige experimentelle Resultate zu erzielen.
 
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konfokal

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Hier noch eine hübsche Grafik aus dem Blog von "Jester" unter dem Titel:

Why is it, when something happens, it is ALWAYS you, myons? ;)

Sie zeigt, dass in der neuen Fermilab-Meßkampagne die Diskrepanz zu den beiden bisherigen Vorhersagen des Standardmodells sogar etwas kleiner(!) geworden ist. Wenn man das aber geschickt mit den alten Resultaten gemeinsam verpackt, lässt es sich anders besser verkaufen... :cool:
Nix für ungut bitte!
 
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holger_merlitz

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Das ist natürlich pikant: zeitgleich mit der Veröffentlichung des neuen experimentellen Ergebnisses erscheint bei Nature eine weitere theoretische Arbeit, die im Unterschied zu dem oben zitierten Konsensus von 132 Theoretikern KEINE Diskrepanz mit dem experimentellen Messwert findet. Dabei handelt es sich um QCD Gittersimulationen eben jener hadronischer Effekte, die bei den Unsicherheiten dominieren:

Leading hadronic contribution to the muon magnetic moment from lattice QCD

We use ab initio quantum chromodynamics (QCD) and quantum electrodynamics simulations to compute the LO-HVP contribution. We reach sufficient precision to discriminate between the measurement of the anomalous magnetic moment of the muon and the predictions of dispersive methods. Our result favours the experimentally measured value over those obtained using the dispersion relation.

Das vollständige Preprint kam schon im August letzten Jahres heraus: arxiv.org/pdf/2002.12347.pdf

In dem von Mark verlinkten Artikel bei quantamagazine wird diese Gruppe nach den Initialen der Gründungsinstitute Budapest, Marseille, Wuppertal BMW benannt! Dort wir auch erklärt, warum der Konsensus-Report das abweichende BMW-Ergebnis bislang nicht berücksichtigt.

Dieses theoretische Schisma wird uns mit Sicherheit noch eine ganze Weile beschäftigen ...


Gitter-QCD Rechnungen sind extrem schwer zu interpretieren - der Rechner rubbelt tausend CPU-Jahre über das Gitter, und man hofft, am Ende ein zuverlässiges Resultat zu erhalten. Das Problem ist, dass hier oft systematische Fehler involviert sind, deren Größen zunächst kaum abschätzbar sind (u.a. aus der Wahl der Gitterkonstante). Daher wartet man üblicherweise ab, bis mehrere Gruppen unabhängig voneinander solche Rechnungen geliefert haben, die dann hoffentlich aufeinander fallen. Natürlich gibt es auch Fehler in den störungstheoretischen Rechnungen, aber hier hat man schon eher Abschätzungen, wie groß die Fehler aus den vernachlässigten Termen sein dürften. Klar ist, dass die Theorie hier langfristig konsistente Vorhersagen wird liefern müssen, daher schadet es nichts, dass die BMW-Resultate jetzt raus sind.

Viele Grüße,
Holger
 
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