Sie enthüllen das Innere von Pyramiden, Vulkanen und Atomreaktoren und verraten die Geheimnisse fundamentaler Physik: Myonen – die schweren „Brüder“ des Elektrons – haben sich zu wichtigen Helfern der Forschung und Technologie entwickelt. Doch woher kommen diese Teilchen? Was macht sie so besonders? Und wozu können sie nützlich sein?
In jeder Minute rasen tausende Myonen durch uns hindurch – ohne dass wir es merken. Doch schon dieser Myonen-Regen wäre ohne die Einsteinsche Zeitdehnung unmöglich. Fast ebenso faszinierend ist, wie die schnellen, schweren Myonen das Innenleben selbst massiver Vulkane, Bauwerke oder tiefer Tunnel zeigen. Und auch bei den kleinsten Bausteinen der Materie haben Myonen gleich mehrere Überraschungen enthüllt.
Strahlung, Einstein und die Zeitdehnung
Was sind Myonen?
Sie sind überall und doch spüren wir sie nicht: In jeder Minute treffen rund 10.000 Myonen jeden Quadratmeter der Erdoberfläche – einschließlich unserer Körper. „Sie fliegen mit fast Lichtgeschwindigkeit durch uns hindurch und können hunderte Meter Gestein durchdringen“, erklärt Ian Swainson von der Internationalen Atomenergieorganisation IAEA. „Trotzdem sind sie für uns Menschen harmlos.“
Doch anders als die fast masselosen Neutrinos, die ebenfalls ständig aus dem All auf die Erde treffen und durch uns hindurchrasen, sind die Myonen ziemliche Schwergewichte: Sie wiegen gut 200-mal mehr als ein Elektron und sind damit auch deutlich energiereicher als Neutrinos oder Elektronen. Dennoch gehören die Myonen zur gleichen „Familie“ der Elementarteilchen wie die Elektronen: Sie tragen ebenfalls eine negative Elementarladung, haben den gleichen Spin und sind, wie die Elektronen, nicht weiter zerteilbar.
Damit ist das Myon eine Art „schwerer Bruder“ des Elektrons. Es gehört wie dieses zu den Grundbausteinen unseres Universums und zu den Teilchen, die unser Standardmodell der Physik prägen. Allerdings es gibt noch einen wichtigen Unterschied: Während das Elektron fester Bestandteil unserer Atome und damit aller Materie ist, sind Myonen kurzlebige Einzelgänger. Dass sie ständig auf uns hinabregnen und nahezu überall präsent sind, verdanken diese Teilchen der Tatsache, dass sie immer wieder nachproduziert werden.
Das Lebensdauer-Paradox
Aber woher kommen die Myonen? Die meisten von ihnen entstehen, wenn kosmische Strahlung und energiereiche Protonen aus dem All auf unsere Erdatmosphäre treffen. Wenn diese Partikel mit den Sauerstoff- und Stickstoffatomen kollidieren, entsteht eine ganze Kaskade energiereicher, sekundärer Teilchen, darunter auch Myonen. Diese haben allerdings nur eine Lebensdauer von rund 2,2 Mikrosekunden – kaum erzeugt, zerfallen sie schon wieder in ein Elektron und zwei verschiedene Neutrinos.
Das Merkwürdige jedoch: Obwohl die Myonen nur so kurz bestehen bleiben, schaffen sie es in dieser Zeit, von der Atmosphäre in rund 15 Kilometer Höhe bis auf die Erdoberfläche und weit darunter. Aber wie? „Der newtonschen Physik zufolge brauchen Myonen selbst bei knapp Lichtgeschwindigkeit rund 50 Mikrosekunden bis auf Meereshöhe – und damit rund 25-mal länger als ihre Lebensdauer“, erklärt Efrain Covarrubias von der California State University. Trotzdem sind Myonen in großer Zahl und überall auf der Erdoberfläche nachweisbar.
Einstein liefert die Antwort
Wie ist das zu erklären? Die Antwort auf dieses Paradox liefert Albert Einstein – genauer gesagt seine spezielle Relativitätstheorie. Diese besagt, dass für Objekte mit hoher Geschwindigkeit die Zeit langsamer vergeht und Distanzen sich verkürzen. Dieser Effekt wirkt auch auf das Myon: „Für ein Myon, das mit 99,5-prozentiger Lichtgeschwindigkeit durch die Atmosphäre rast, werden die 2,2 Mikrosekunden Lebensdauer dadurch zu rund 16 Mikrosekunden in unserem Bezugssystem“, erklärt Covarrubias.
Diese Zeitdehnung ermöglicht dem Myon das scheinbar Unmögliche: Es kommt auf der Erdoberfläche an, ohne vorher zu zerfallen. Dass diese Teilchen fortwährend auf uns herunterregnen, entdeckten Wissenschaftler schon in den 1930er Jahren. Im Jahr 1941 spielten Myonen dann sogar eine entscheidende Rolle für den Beweis der Einstein’schen Zeitdilatation: Die US-Physiker Bruno Rossi und David Hall führten Messungen am 3.240 Meter hoch gelegenen Echo Lake in Colorado und im 1.524 Meter tiefer liegenden Denver durch. Dabei maßen sie Impuls und Menge der Teilchen und stellten fest, dass deren Lebensdauer stieg, je energiereicher und schneller sie waren.
Nachweisen ließen sich Myonen damals in speziellen, mit Wasserdampf gesättigten Nebelkammern. In diesen hinterließen die Myonen – abgelenkt vom magnetischen Feld dieser Kammern, leicht gekrümmte Spuren auskondensierter Tröpfchen. Aus der Krümmungsrichtung schlossen Physiker schon damals, dass diese Teilchen negativ geladen sein mussten – wie das Elektron. Doch anders als bei diesem waren die Spuren der Myonen weniger stark gebogen – was auf ein schwereres, energiereicheres Teilchen hindeutete. Aber was für eins?
Zunächst blieben Herkunft und Art dieser rätselhaften Partikel unklar. 1936 wiesen Physiker dann nach, dass es sich um ein von der kosmischen Strahlung erzeugtes Teilchen handeln musste. Weil dessen Masse irgendwo zwischen der des Elektrons und der des Protons lag, tauften sie es zunächst Mesotron, später „Yukon“ nach dem japanischen Physiker Hideki Yukawa, der ein Elementarteilchen in diesem Massenbereich vorhergesagt hatte. Erst 1946 erkannte man, dass es sich um ein anderes, ganz eigenes Teilchen handelte und gab ihm den Namen Myon.
Myonen durchleuchten Vulkane, Tunnel und Co
Mehr Durchblick mit kosmischen Teilchen
Myonen sind nicht nur schwerer als Elektronen, sie haben auch eine weit höhere Durchschlagskraft. Wegen ihrer hohen Energie und Masse können sie Materie leichter und ungehinderter durchdringen als ihre leichteren „Brüder“. Genau dies macht die ständig auf uns hinabregnenden Teilchen nützlich: Mit ihnen können wir weit tiefer in Objekte hineinsehen als beispielsweise mit Röntgenstrahlen.
„Myonen können hunderte Meter Fels durchdringen und sind daher ein vielseitig einsetzbares Mittel, um die Zusammensetzung und Struktur von Materialien zu verstehen, die für uns sonst undurchdringbar wären“, erklärt Ian Swainson von der Internationalen Atomenergie-Organisation IAEA.
Doch was bestimmt, wie tief ein Myon eindringen kann? Ähnlich wie bei der Röntgenstrahlung ist die Dichte des Materials und im Speziellen seine Elektronendichte der wichtigste Faktor. Denn die Myonen verlieren bei ihrer Passage immer dann Energie, wenn sie mit den Elektronenhüllen der Atome interagieren. „Es kommt zum Transfer von Energie auf die Elektronen der äußeren Atomschalen, durch die diese angeregt oder ionisiert werden“, erklärt Alex Amato von der Universität Zürich. „Ein energiereiches Teilchen wie das Myon verliert bei jeder dieser Kollisionen aber nur einen winzigen Bruchteil seiner Energie.“
Dadurch kann ein Myon selbst massives Gestein, Mauerwerk oder auch Bleiwände durchdringen – aber auch verraten, was sich hinter diesen Barrieren verbirgt. Gibt es weniger massive Materialien oder auch Hohlräume, reicht die Energie der Myonen weiter und sie zerfallen erst nach ihrer Passage durch die Struktur. Ist ein Fels dagegen massiv, verlieren sie in ihm so viel Energie, dass sie feststecken und vor Ort zerfallen. Weil man weiß, wie viel Energie das mit rund vier Gigaelektronenvolt eintreffende Myon verliert – rund 0,2 Gigaelektronenvolt pro Meter Wasseräquivalent – kann man auch Rückschlüsse auf die Art des Materials ziehen.
Anzeiger für verborgene Strukturen
Diese Durchschlagskraft macht die Myonen zu einem vielseitigen Werkzeug. Durch Verfahren wie die Myonen-Radiografie und die Myonen-Tomografie können sie dabei helfen, verborgene Strukturen zu enthüllen. „In gewisser Weise funktioniert die Myonen-Bildgebung ähnlich wie das Röntgen oder die Gammastrahlendurchleuchtung in der Materialforschung“, erklärt IAEA-Forscher Andrea Giammanco von der Katholischen Universität Louvain. „Nur dass wir keine künstlichen Strahlenquellen benötigten: Die Myonen-Bildgebung nutzt die Teilchen, die ohnehin auf uns hinabregnen.“
Erste Versuche, Myonen zur Durchleuchtung zu nutzen, gab es schon in den 1950er Jahren: Der britische Physiker Eric George stellte einen Detektor in einem Tunnel unter den australischen Snowy Mountains auf, um die darüberliegende Felsbedeckung zu untersuchen. Durch Vergleich mit den Myonenspuren eines unter freiem Himmel auf gleicher Höhe stehenden Detektors konnte er ermitteln, wie massiv und dick das Gestein über dem Tunnel sein musste.
Als Detektoren für die Myonen-Bildgebung dienten früher simple Geigerzähler oder Szintillatoren – Funkenkammern, in denen Photodetektoren die winzigen Lichtblitze aufzeichnen, die angeregte Elektronen bei Kollisionen mit Myonen abgeben. Heute kommen auch Platten mit einer speziellen Emulsion zum Einsatz, die die Spuren aufzeichnen sowie Detektoren, die die von Myonen aus einem Gas herausgeschlagenen oder angeregten Elektronen analog oder digital registrieren.
Die einfachste Form der Myonen-Bildgebung ist die Transmissions-Radiografie. „Sie ist die Methode der Wahl, wenn es unmöglich oder unpraktisch ist, die Bahnen der Myonen vor und nach dem untersuchten Objekt zu vergleichen“, erklären Giammanco und seine Kollegen. Denn gemessen wird nur die Absorptionsrate der durch das Objekt oder Material fliegenden Myonen. Im Prinzip genügen dabei zwei Detektoren – einer unter dem Untersuchungsobjekt, einer außerhalb. Allerdings dauert es relativ lange, bis genügend Myonen detektiert sind, um Hohlräume und Ähnliches zu enthüllen. Myografie-Messungen dauern daher mehrere Tage bis Wochen.
Dafür kann diese Methode selbst bei sehr großen Objekten genutzt werden – beispielsweise, um in Vulkane und andere Berge hineinzuschauen. In einem dieser Projekte hat ein Team um Domenico Lo Presti von der Universität Catania einen Myonendetektor in einer Hangnische des aktiven Vulkans Ätna aufgestellt, um den oberen Bereich des Vulkanschlots zu durchleuchten. „2017 konnten wir noch vor dem Kollaps des Kratergrunds dort einen Hohlraum entdecken“, berichten die Forscher. „2018 identifizierten wir mehrere Risse in Untergrund, an deren Spitze im Juni 2019 ein neuer, explosives Ausbruchsereignis begann.“ Auch andere Vulkane wurden bereits mittels Myonen-Radiografie durchleuchtet. In den Alpen haben Geologen Myonendetektoren dazu genutzt, um die Dicke und das Bett von großen Gletschern wie dem Aletschgletscher und dem Eigergletscher zu untersuchen.
Doch auch für menschengemachte Strukturen oder bei großen Bauvorhaben kommt die Myonen-Bildgebung zum Einsatz. Im Jahr 2018 setzte ein britisches Forschungsteam Myonendetektoren ein, um unerkannte Bahntunnel aus der viktorianischen Ära aufzuspüren. Weil diese 100 bis 150 Jahre alten Tunnel heute baufällig sind, kommt es immer wieder zu Einstürzen, durch die Gebäude, Straßen und andere Infrastruktur an der Erdoberfläche plötzlich absacken und beschädigt werden. Tatsächlich entdeckte das Team im Vorfeld von Bauarbeiten an einem neuen Straßentunnel einen solchen alten Hohlraum. Auch beim Bau einer neuen U-Bahn-Linie in Paris wurden testhalber Myonendetektoren in die Tunnelbohrmaschine integriert.
Und auch in Atomkraftwerken kommt die Myonen-Bildgebung zum Einsatz, beispielsweise nach dem Atomunglück von Fukushima im Jahr 2011. Nach dem Ausfall der Kühlung und schweren Schäden durch ein Erdbeben mit Tsunami war das Innere der Reaktoren tödlich verstrahlt – ein Zugang war über Jahre hinaus unmöglich. Um herauszufinden, wie der Reaktorkern aussah und ob eine Kernschmelze stattgefunden hatte, ließ der Betreiber Tepco im Jahr 2015 zwei spezielle Myonen-Detektoren konstruieren: 20 Tonnen schwer und durch eine zehn Zentimeter dicke Stahlumhüllung geschützt, zeichneten die Detektoren über fünf Monate hinweg auf.
Das Ergebnis: In den Aufnahmen fehlte jede Spur des Myonen absorbierenden Brennstoffblocks. Dies verriet, dass der Kernbrennstoff geschmolzen und am Boden des Reaktors verteilt haben musste – die gefürchtete Kernschmelze war eingetreten.
Allerdings hat die Durchleuchtung mittels Myonen-Absorption ihre Grenzen: Sie kann zwar große Objekte scannen, zeigt aber deren Inneres nur sehr grob und ungenau. Feinere Strukturen sind auf den stark verrauschten und niedrig aufgelösten Aufnahmen nicht zu erkennen. Doch auch dafür gibt es eine Myonen-basierte Methode…
Die Myonen-Tomografie und ihre Einsatzzwecke
Streuung statt Absorption
Myonen werden von Fels, Stahl und Co nicht nur absorbiert, sondern auch gestreut. „Wenn Myonen durch ein Material fliegen, kommen sie den Atomkernen manchmal nahe genug, um durch elektromagnetische Wechselwirkungen aus ihrer Bahn gelenkt zu werden“, erklärt der Myonen-Forscher Andrea Giammanco von der Katholischen Universität Louvain. Das Ausmaß dieser Streuung hängt dabei vom Material ab – je schwerer und protonenreicher die enthaltenen Atome, desto stärker ist die Myonenstreuung.
Aus der Energie und Richtung der Myonen lässt sich daher die Zusammensetzung und Struktur von Objekten und Materialien noch schneller und genauer ermitteln als nur durch die Absorption der energiereichen Teilchen. „Die Myonen-Tomografie erfordert jedoch die Rekonstruktion der Myonenbahn vor und nach Passieren des Objekts“, erklärt Giammanco. „Eine typische Anlage umfasst daher einen Detektor über dem Untersuchungsobjekt und einen darunter.“ Alternativ können die Detektoren auch auf mehrere Seiten eines Objekts aufgestellt werden.
Der Vorteil der erst 2003 entwickelten Myonen-Tomografie: Die Messungen können das Innenleben der durchleuchteten Objekte auch dreidimensional abbilden. Zudem benötigen sie weniger Zeit und sind meist präziser als die Absorptionsmessungen. Schon wenige Minuten können beispielsweise ausreichen, um einen Container oder Lastwagen auf verbotene Fracht zu durchleuchten. Dafür ist diese Technik nur für mittelgroße und kleinere Objekte geeignet – ganze Berge oder sehr große Gebäude lassen sich mit der Myonen-Tomografie nicht durchleuchten.
In den USA wird die Myonen-Tomografie bereits testweise an der Grenze zu Mexiko eingesetzt – und hat schon erste Treffer gelandet: Der Zoll untersuchte vor einigen Jahren einen Laster, der augenscheinlich Rollen von Stahlblech geladen hatte. Doch während die Röntgen-Scans keine Auffälligkeiten zeigten, enthüllten die Myonen-Scans verdächtige Stellen im Inneren der Stahlrollen. „Die Myonen-Aufnahmen zeigten, dass in den Rollen etwas weniger Dichtes steckte“, berichten Giammanco und seine IAEA-Kollegen. „Nach Öffnen der Stahlrollen wurden darin jeweils mehrere Metallboxen voller Marihuana entdeckt.“
Auch andere Drogen wie in einer Ladung Bananen verstecktes Kokain oder in Kohle versteckter Sprengstoff lassen sich mit der Myonen-Tomografie aufspüren. Nach dem 11. September 2001 testeten US-Forscher diese Methode auch, um beispielsweise geschmuggelte Waffen oder Uran zu identifizieren – mit Erfolg: „Unser Myonen-Scanner könnte einen Block Uran selbst in einem Laster voller Schafe identifizieren“, berichtet Chris Morris vom Los Alamos National Laboratory.
Und sogar gegen Menschenhandel und Menschenschmuggel kann die Myonen-Tomografie eingesetzt werden. Das US-Unternehmen Decision Sciences hat einen Myonen-Scanner mit KI-gestützter Auswertesoftware entwickelt, der auch Menschen im Inneren abgeschirmter, für Röntgenstrahlen undurchdringlicher Container erkennen kann. „Dies ist ein echter Game-Changer für den Kampf gegen den globalen Menschenhandel“, sagte Kevin Davies von Decision Sciences im März 2024. „Wir haben gerade erfolgreiche Tests dieser neuen KI-gestützten Technologie abgeschlossen und planen sie in den nächsten drei bis sechs Monaten auf den Markt zu bringen.“
Blick in marode Brücken und radioaktiven Atommüll
Nützlich ist die Myonen-Tomografie auch, wenn es um die Überprüfung potenziell maroder Infrastruktur wie beispielsweise Stahlbeton-Brücken geht. Im Jahr 2019 hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin erstmals ein solches System genutzt, um Betonblöcke mit integrierten, teilweise bereits stark korrodierten Stahlgittern zu durchleuchten. Es zeigte sich: Die experimentellen Myonen-Aufnahmen übertrafen die Auflösung und Detailschärfe von Radar- und Ultraschall-Aufnahmen, waren allerdings ungenauer als Röntgenaufnahmen – diese dringen aber weniger tief in den Beton ein.
Myonen können auch bei der Überwachung und Untersuchung von Atommüll helfen – beispielsweise, wenn es darum geht, den genauen Inhalt von Jahrzehnte alten Behältern mit atomaren Abfällen zu bestimmen. Im britischen Sellafield verrieten die Myonen-Tomografien unter anderem, wie voll die Fässer waren und welche radioaktiven Elemente in ihnen enthalten sind.
Auch in Gorleben und anderen deutschen Zwischenlagern könnte künftig Myonen-Bildgebung zum Einsatz kommen. Mit ihr lassen sich die Castorbehälter durchleuchten und auf Korrosion und Schäden überprüfen. Wichtig wird dies, weil es bisher kein Endlager für hochradioaktive Abfälle gibt. Daher muss der Atommüll länger als vorgesehen in diesen Spezialbehältern bleiben – was ein potenzielles Sicherheitsrisiko darstellt. „Simulationen haben gezeigt, dass bereits mit einfachen Analyseverfahren die Methode der Myonen-Radiographie in der Lage ist, auch einzelne fehlende Brennstäbe im Lagerbehälter zu erkennen“, berichtet die Gesellschaft für Anlagen- und Reaktorsicherheit (GRS) nach ersten Tests. Allerdings ist die dafür nötige Messdauer bislang noch zu hoch.
Myonen-Bildgebung in der Archäologie
Pyramiden, Gräber und noch mehr
Eine besondere Rolle spielen Myonen in der Archäologie. Denn das Durchleuchten mithilfe der kosmischen Elementarteilchen kann gerade bei alten Monumentalbauten dabei helfen, unzugängliche Kammern aufzuspüren oder die Baustruktur einer Ruine enthüllen.
Prominentestes Beispiel dafür sind die Pyramiden von Gizeh. Diese vor rund 4.500 Jahren auf einem Kalksteinplateau bei Kairo erbauten Pharaonengräber gehören zu den größten von Menschenhand erschaffenen Bauwerke weltweit. Millionen Tonnen massiver Steinblöcke wurden in ihnen verbaut. Doch was sich im Inneren der Pyramiden verbirgt, ist bis heute erst in Teilen bekannt.
Schon in den 1960er Jahren kam daher der US-Physiker Louis Alvarez auf die Idee, das Innere der Chephren-Pyramide mithilfe von Myonen zu durchleuchten. „Anders als die benachbarte Cheops-Pyramide erschien ihm diese zweitgrößte Pyramide von Gizeh besser geeignet, denn sie besaß eine zentrale Kammer in ihren Unteren Bereich“, schildert ein Bericht der Internationalen Atomenergieagentur IAEA das damalige Projekt.
Im Jahr 1976, nach aufwendigen Vorbereitungen und bürokratischen Komplikationen, transportierten Alvarez und sein Team klobige Funkenkammer-Detektoren in diese Kammer und zeichneten mehrere Jahre lang die durch die Pyramide dringenden Myonen auf. Das Ergebnis: Zumindest diesen ersten Myonen-Messungen zufolge ist die Chephren-Pyramide im Inneren ziemlich massiv, Hohlräume konnten die Physiker nicht entdecken. „Für die Archäologen war aber auch das schon eine wertvolle Information“, so die IAEA.
Im Jahr 2015 nahm sich das internationale Projekt „ScanPyramids“ dann auch die Cheops-Pyramide vor – das größte und berühmteste altägyptische Bauwerk in Gizeh. Dafür wurden drei verschiedene Arten von Myonen-Detektoren – Emulsionsplatten, Gasdetektoren und Polymer-Szintillatoren – innerhalb und außerhalb der Pyramide installiert. Kein leichtes Unterfangen, denn die entlang der Pyramidenseiten stehenden Detektoren für die Myonen-Tomografie mussten 45 Grad Hitze und mehreren Sandstürmen standhalten. Im Inneren waren die Detektoren in der Großen Galerie und der Königinnenkammer angebracht. Die Instrumente mussten daher in einem hochgradig touristischen, engen Raum arbeiten.
Doch der Aufwand sollte sich lohnen: 2017 verkündete ScanPyramids das sensationelle Ergebnis ihrer Myonen-Scans – sie hatten tatsächlich einen zuvor unerkannten, großen Hohlraum im Inneren der Cheops-Pyramide aufgedeckt. „Wir haben einen unerwarteten und signifikanten Überschuss an Myonen in einer Region fast parallel zur Großen Galerie nachgewiesen“, berichteten die Forschenden. „Dies ist die erste größere Struktur, die seit dem 19. Jahrhundert im Inneren der Cheops-Pyramide entdeckt worden ist.“ Der Gang ist mindestens 30 Meter lang und rund acht Meter hoch. Was er enthält und wozu er einst diente, ist allerdings noch ungeklärt.
Allerdings gab es auch einige Zonen in der Cheops-Pyramide, für die die Myonen-Scans damals noch kein eindeutiges Resultat lieferten – die Auflösung war noch zu gering. Im Jahr 2022 rüstete das Team von ScanPyramids daher auf: „Wir wollen ein System installieren, das mehr als die 100-Fache Sensitivität des bisher bei der Pyramide eingesetzten Technologien aufweist“, erklärten Alan Bross vom Fermi Lab in den USA und sein Team. „Das System wird zudem Myonen aus fast allen Richtungen abbilden und damit zum ersten Mal ein echtes tomografisches Bild einer so großen Struktur liefern.“
Mit Erfolg: 2023 zeigte sich, dass es über dem alten Eingang der Cheops-Pyramide tatsächlich eine weitere verborgene Kammer gibt. Diese befindet sich oberhalb des Chevrons, einer massiven Konstruktion aus großen Steinblöcken, die den Eingang nach oben hin abschirmen. Den Myonen-Scans zufolge ist diese Kammer neun Meter lang und rund zwei Meter hoch. „Einen Hohlraum in einer Pyramide zu entdecken, ist schon etwas Besonderes. Aber dass diese Kammer groß genug ist, um mehrere Menschen aufzunehmen, macht es noch bedeutender“, sagt Teammitglied Christian Grosse von der TU München.
Hindutempel, Kaisergrab und Ruinen
Auch in anderen Regionen haben Archäologen bereits Myonen-Bildgebung eingesetzt. So scannten Forschende damit eine der Pyramiden im mittelamerikanischen Teotihuacan, andere Archäologen setzten die Technologie ein, um Hohlräume in einem alten Hindutempel auf Java aufzuspüren. In Japan wurden Myonen-Scans eingesetzt, um ein altes Kaisergrab zu durchleuchten, das 1596 bei einem Erdbeben kollabiert war.
Neben solchen primär oberirdischen Bauten analysieren einige Projekte auch unterirdische Strukturen wie die Fundamente, Keller oder unter der Oberfläche liegende Kammern von Ruinen mittels Myonen-Tomografie. „Sie eignet sich gut als Ergänzung zu gängigen Technologien wie dem Bodenradar oder der Magnetfeldmessung“, erklärt der IAEA-Forscher Andrea Giammanco von der Katholischen Universität Louvain.
„Insgesamt zeigt die Myonen-Bildgebung herausragendes Potenzial auf dem Feld der Archäologie“, heißt es im IAEA-Bericht. „Sie kann dazu beitragen, viele Geheimnisse alter Zivilisationen und historischer Stätten zu lüften.“ Doch Myonen können nicht nur Objekte durchleuchten und Strukturen abbilden – sie verraten auch einiges über die Grundlagen der Physik…
Myonen rütteln an den Grundlagen der Physik
Mysteriöse Diskrepanzen
Myonen sind nicht nur als Durchleuchtungshelfer nützlich, sie bieten uns auch einen Einblick in die Welt der kleinsten Teilchen und der Grundkräfte der Physik. Denn viele exotische Teilchen, darunter auch das berühmte Higgs-Boson – zerfallen in Myonen, so dass diese zu Boten ihrer noch kurzlebigeren Vorgänger werden. Mithilfe von Myonen haben Physiker aber auch einen der Grundbausteine aller Materie vermessen – das Proton.
Das Myon ist zwar schwerer als ein Elektron, gleicht diesem aber ansonsten in fast allen Merkmalen. Deshalb kann es sogar seinen Platz im Atom einnehmen – beispielsweise im Wasserstoff. In diesem kreist dann ein Myon statt des Elektrons um das Proton im Kern. Wegen seiner größeren Masse bewegt sich das Myon dabei näher am Atomkern und benötigt mehr Energie, um angeregt zu werden. Genau das nutzen Teilchenphysiker, um den Radius des Protons zu vermessen – eine für mehrere Naturkonstanten wichtige Größe.
„Weil das Myon 200-mal schwerer ist als das Elektron, kommt es dem Proton viel näher und ‚spürt‘ buchstäblich dessen Ausdehnung“, erklärt Randolf Pohl von der Universität Mainz. „Daraus ergibt sich die hohe Präzision, mit der wir den Protonenradius bestimmen können.“ Konkret geschieht dies mittels Laserspektroskopie: Dem myonischen Wasserstoff wird mittels Laserpulsen exakt so viel Energie zugeführt, dass das Myon in einen höheren Energiezustand angehoben wird, Fällt es dann wieder in den Grundzustand zurück, gibt es die überschüssige Energie in Form von Röntgenphotonen ab. Deren Merkmale geben Aufschluss über den Abstand des Myons zum Atomkern – und damit auch über den Radius des Protons.
Rätselhafte Diskrepanzen
Das Spannende daran: Sowohl der myonische Wasserstoff als auch andere Messverfahren haben in den letzten 14 Jahren erhebliche Diskrepanzen zum offiziellen Referenzwert von 0,8768 Femtometer aufgedeckt – der gemessenen Protonenradius lag deutlich darunter. Gleichzeitig belegen Messungen mit normalem Wasserstoff, dass diese Abweichungen nicht mit dem Myon als Messhelfer zusammenhängen können. Inzwischen hat das Committee on Data for Science and Technology (CODATA) reagiert und den Referenzwert für den Protonenradius nach unten korrigiert. Sie empfiehlt nun die Nutzung von 0,841 Femtometer als Richtwert.
Sogar Einblicke in das Innere der Protonen haben Physiker dank der Myonen erhalten. Denn wenn Protonen kollidieren, löschen sich die in ihrem Inneren präsenten Quarks und Antiquarks gegenseitig aus, dabei werden auch Myonen frei. An ihnen lässt sich ablesen, wie viele Antiquarks die Protonen enthalten haben. Dem gängigen Modell nach müssten dabei zwei Sorten – Anti-Up und Anti-Down-Quarks – zu gleichen Teilen vertreten sein.
Doch das ist offenbar nicht der Fall, wie Physiker im Jahr 2021 festgestellt haben. „Aus der Myon-Paarproduktion ergibt sich, dass mehr Anti-Down-Quarks im Kernbaustein entstehen als Anti-Up-Quarks“, berichtet das Team um Jason Dove von der University of Illinois in Urbana-Champaign. Warum es diese Asymmetrie gibt und wie sie entsteht, ist jedoch noch völlig ungeklärt.
Das Myon und sein g-Faktor
Doch auch die Myonen selbst geben Physikern Rätsel auf. Denn sie verhalten sich im Magnetfeld nicht so, wie sie es dem Standardmodell nach sollten. Der Theorie zufolge bringen solche Felder das magnetische Moment des Myons auf bestimmte Weise zum Taumeln. Das Ausmaß dieser Präzession – auch als g-Faktor bezeichnet – wird von Ladung, Masse und Spin des Myons beeinflusst. Gäbe es keine weiteren äußeren Einflüsse, müsste dieser g-Faktor gleich 2 sein.
Allerdings ist das Myon bei seinem Flug nicht ungestört: Durch Quantenfluktuationen tauchen in seinem Umfeld ständig virtuelle Teilchenpaare quasi aus dem Nichts auf und verschwinden wieder. Wie subatomare „Tanzpartner“ beeinflussen diese virtuellen Teilchen das Myon und sein magnetisches Moment – wie stark, kann man ebenfalls mithilfe des Standardmodells errechnen. Demnach müsste der g-Faktor des Myons um etwa 0,1 Prozent von 2 abweichen – sofern die Theorien stimmen und vollständig sind.
Doch das scheint nicht der Fall zu sein, wie das Muon-g-2-Experiment am Fermi National Accelerator Laboratory in den USA ergeben hat. Dort wird ein Myonenstrahl in einem gut 14 Meter großen Beschleunigerring bis fast auf Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dabei wechselnden Magnetfeldern ausgesetzt. Schon zweimal – 2021 und 2023 – haben Physiker damit einen Wert für den g-Faktor des Myons ermittelt, der signifikant von den Vorhersagen des Standardmodells abweicht.
Nach Ansicht der Physiker könnte ein Indiz für „neue Physik“ sein – für Teilchen oder Kräfte, die im aktuellen Standardmodell der Physik noch nicht erfasst sind. Deren Interaktion mit dem Myon würde erklären, warum es sich im Magnetfeld anders verhält als es sollte. „Aus vielen Gründen sind wir sicher, dass unser derzeitiges Verständnis der Physik unvollständig ist. Es könnten zusätzliche Teilchen oder verborgene subatomare Kräfte existieren“, sagt Dominik Stöckinger von der Universität Mainz.
Myonen haben damit gleich mehrere Diskrepanzen in fundamentalen Aspekten der Teilchenphysik aufgedeckt. Physiker gehen jedoch davon aus, dass es noch mehr solcher Abweichungen und Überraschungen geben könnte – wenn man nur weiter nach ihnen sucht. Und auch dabei könnten Myonen eine entscheidende Rolle spielen: in einem Myonen-Beschleuniger. „Ein Myonen-Collider könnte Multi-Teraelektronenvolt-Energien und präzise zentrierte Kollisionen ermöglichen, käme aber mit weit kleineren Anlagen aus“, erklärt Paul Bogdan Jurj von der MICE-Kollaboration (Muon Ionization Cooling Experiment).
So könnte ein Myonen-Beschleuniger im 27-Kilometer-Ring des Large Hadron Colliders (LHC) genauso hohe Kollisionsenergien erreichen wie Protonen in einem 100-Kilometer-Ring. Der Grund: Myonen sind anders als Protonen keine zusammengesetzten Teilchen, daher verpufft bei ihrem Zusammenprall kaum Energie. Gleichzeitig sind Myonen aber schwer genug, um beim Beschleunigen nicht ständig Energie durch Synchrotronstrahlung zu verlieren. Beides macht sie daher ideal für Teilchenstudien bei hohen Energien – eigentlich.
Der Haken jedoch: Weil Myonen so kurzlebig sind, müssen sie im Beschleuniger selbst, quasi „on the fly“, erzeugt werden. Das erschwert es aber, die Myonen zu einem fokussierten, homogenen Strahl zu formen. Physiker am Forschungszentrum CERN und anderswo arbeiten aber bereits daran, diese Hürden zu überwinden. Erste vielversprechende Ergebnisse gab es 2024 bereits. Die Zukunft könnte demnach spannend werden.
