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05.12.2016
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John-von-Neumann-Exzellenzprojekt zum magnetischen Moment von Myonen

Das Forschungsprojekt „Hadronischer Beitrag zu den elektroschwachen Observablen“ von DESY-Wissenschaftler Karl Jansen aus Zeuthen wurde als „John-von-Neumann-Exzellenzprojekt 2016” ausgezeichnet und erhält dadurch zusätzliche Rechenzeit am Hochleistungsrechner JURECA. Die Auszeichnung wird vom John von Neumann-Institut für Computing (NIC) vergeben, einem Gemeinschaftsprojekt der drei Helmholtzentren Forschungszentrum Jülich, DESY und GSI. Ausgewählt wurde das Projekt aufgrund seiner ausgezeichneten Vorbereitungsarbeiten, seiner herausragenden Bedeutung und der hochwertigen eingesetzten Methoden.

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Blick in das Gitter mit Quarks und Gluonen aus künstlerischer Sicht (Bild: © iStock Photo).
Jansens Projekt ist im Bereich der Gittereichtheorie angesiedelt und führt großangelegte numerische Simulationen auf leistungsfähigen Supercomputern durch, in diesem Fall auf den Rechnern JUQUEEN und JURECA am Rechenzentrum in Jülich. Das Projekt untersucht das magnetische Dipolmoment des Myons, welches vom klassischen Wert abweicht. Myonen sind Elementarteilchen mit einem Spin von 1/2, gehören zur Klasse der Leptonen und haben ähnliche Eigenschaften wie Elektronen, mit dem Unterschied, dass sie rund 200-mal schwerer sind. Die Abweichungen beim magnetischen Moment von Myonen sind rein quantentheoretische Effekte und könnten den unmittelbaren Nachweis für physikalische Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodells der Teilchenphysik liefern, da neue, bislang unbeobachtete Teilchen für signifikante Korrekturen des klassischen Wertes verantwortlich sein könnten.

Das magnetische Moment des Myons lässt sich sehr präzise, auf sieben Nachkommastellen genau, bestimmen. Um Abweichungen vom Standardmodell aufzuspüren, ist daher eine ebenso hohe Genauigkeit bei den theoretischen Vorhersagen erforderlich. Leider waren Simulationen zur Berechnung des magnetischen Momentes von Myonen im Rahmen der Gittereichtheorie bislang eher ungenau, sodass es unmöglich erschien, die experimentelle Genauigkeit zu erreichen.

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DESY-Physiker Karl Jansen
Jansen sind jedoch zwei entscheidende Schritte gelungen: Er und sein Forschungsteam haben ein neues Verfahren zur Berechnung des magnetischen Moments des Myons entwickelt, mit dem eine deutliche Verringerung des Fehlers erreicht wird. Außerdem konnte er Simulationen unmittelbar unter physikalischen Bedingungen durchführen, wodurch die systematischen Unsicherheiten wesentlich verringert werden können.

Dank dieser beiden Verbesserungen liegt der theoretische Fehler inzwischen in derselben Größenordnung wie der experimentelle. Damit eröffnet sich ein vielversprechender Weg, mit den noch geringeren Fehlerspannen neuer und künftiger Experimente am FermiLab und J-PARC gleichzuziehen und somit möglicherweise Hinweise auf physikalische Gesetzmäßigkeiten jenseits des Standardmodells zu finden.

Jansen ist bereits der zweite DESY-Wissenschaftler, der 2016 die Leitung eines John von Neumann-Excellence-Projekts übernimmt. Nur ein halbes Jahr zuvor erhielt ein Simulationsprojekt von Alberto Martinez de la Ossa aus DESYs FLASHForward-Gruppe auf diese Weise zusätzliche Rechenzeit an den NIC-Supercomputern.