In der klassischen Physik ein Vakuum ist eine totale Leere – eine wahre Manifestation des Nichts. Aber die Quantenphysik sagt, dass leerer Raum es nicht ist Wirklich leer. Stattdessen brummt es vor „virtuellen“ Partikeln, die zu schnell auftauchen und wieder verschwinden, um entdeckt zu werden. Wissenschaftler wissen, dass diese virtuellen Teilchen vorhanden sind, weil sie die Qualitäten regulärer Teilchen messbar optimieren.
Eine Schlüsseleigenschaft, die diese sprudelnden Partikel verändern, ist das winzige Magnetfeld, das von einem einzelnen Elektron erzeugt wird, bekannt als sein magnetisches Moment. Theoretisch könnten Wissenschaftler, wenn sie alle Arten von virtuellen Teilchen, die es gibt, erklären könnten, die Mathematik durchführen und genau herausfinden Wie Das verzerrte magnetische Moment des Elektrons sollte vom Schwimmen in diesem virtuellen Teilchenpool stammen. Mit ausreichend präzisen Instrumenten konnten sie ihre Arbeit mit der Realität vergleichen. Diesen Wert so genau wie möglich zu bestimmen, würde den Physikern helfen, genau festzustellen, welche virtuellen Teilchen mit dem magnetischen Moment des Elektrons spielen – einige davon könnten zu einem verschleierten Sektor unseres Universums gehören, in dem sich beispielsweise die immer schwer fassbare dunkle Materie befindet.
Im Februar gaben vier Forscher der Northwestern University bekannt, dass sie genau das getan hatten. Ihre Ergebnisseveröffentlicht in Briefe zur körperlichen Überprüfunggeben das magnetische Moment des Elektrons mit erstaunlicher Präzision an: 14 Stellen nach dem Komma und mehr als doppelt so genau wie die vorherige Messung im Jahr 2008.
Das mag so aussehen, als würde man über Bord gehen. Aber es steht viel mehr als nur mathematische Genauigkeit auf dem Spiel. Mit der Messung des magnetischen Moments testen Wissenschaftler den theoretischen Dreh- und Angelpunkt der Teilchenphysik: das Standardmodell. Wie eine physikalische Version des Periodensystems ist es als Diagramm aller in der Natur bekannten Teilchen angelegt: die subatomaren, aus denen Materie besteht, wie Quarks und Elektronen, und diejenigen, die Kräfte tragen oder vermitteln, wie Gluonen und Photonen. Das Modell enthält auch eine Reihe von Regeln dafür, wie sich diese Partikel verhalten.
Aber Physiker wissen, dass das Standardmodell unvollständig ist – wahrscheinlich fehlen ihm einige Elemente. Auf dem Modell basierende Vorhersagen stimmen oft nicht mit Beobachtungen des realen Universums überein. Es kann keine Schlüsselrätsel erklären, wie zum Beispiel, wie sich das Universum nach dem Urknall auf seine jetzige Größe aufgebläht hat oder wie es überhaupt existieren kann – voller Materie und größtenteils ohne Antimaterie, die es hätte auslöschen sollen. Das Modell sagt auch nichts über die dunkle Materie aus, die Galaxien zusammenklebt, oder die dunkle Energie, die die kosmische Expansion antreibt. Der vielleicht offensichtlichste Fehler ist die Unfähigkeit, die Schwerkraft zu berücksichtigen. Unglaublich genaue Messungen bekannter Teilchen sind daher der Schlüssel, um herauszufinden, was fehlt, weil sie den Physikern helfen, Lücken im Standardmodell zu lokalisieren.
„Das Standardmodell ist unsere beste Beschreibung der physikalischen Realität“, sagt Gerald Gabrielse, ein Physiker an der Northwestern University, der die neue Studie sowie das Ergebnis von 2008 mitverfasst hat. „Es ist eine äußerst erfolgreiche Theorie, da sie im Wesentlichen alles vorhersagen kann, was wir auf der Erde messen und testen können – aber sie verwechselt das Universum.“
Tatsächlich ist die genaueste Vorhersage, die das Standardmodell macht, der Wert des magnetischen Moments des Elektrons. Wenn das vorhergesagte magnetische Moment nicht mit dem übereinstimmt, was in Experimenten beobachtet wurde, könnte die Diskrepanz ein Hinweis darauf sein, dass unentdeckte virtuelle Teilchen im Spiel sind. „Ich sage immer, dass die Natur einem sagt, welche Gleichungen richtig sind“, sagt Xing Fan, ein Physiker an der Northwestern University, der die Studie als Doktorand an der Harvard University leitete. „Und die einzige Möglichkeit, dies zu testen, ist, wenn Sie Ihre Theorie mit der realen Welt vergleichen.“