Momentul magnetic anormal al muonului

Momentul magnetic anormal al muonului este abaterea momentului magnetic al muonului de la valoarea „normală” prezisă de ecuația relativistă mecanică cuantică a mișcării muonului [1] . Notat cu μ [2] .

Introducere

Valoarea diferită de zero a momentului magnetic anormal ( a ) este o consecință a interacțiunii unei particule cu particule virtuale - fluctuații ale câmpurilor cuantice de vid . Măsurând valoarea unui , se poate estima contribuția totală a tuturor câmpurilor existente ( interacțiuni ), inclusiv a celor care depășesc limitele Modelului Standard (SM).

Mărimea momentului magnetic anormal al electronului ( a e ) este determinată aproape complet de interacțiunile electromagnetice , în timp ce în cazul momentului magnetic anormal al muonului ( a μ ) dominația contribuției electromagnetice este oarecum slăbită. Masa semnificativă a muonului (de aproape 207 de ori mai grea decât electronul) sporește contribuția câmpurilor masive în comparație cu a e de aproximativ 43.000 de ori (≈207 alte interacțiuni ipotetice SMafaraîn,încănedescoperite, . Acest lucru a condus inițial la un mare interes pentru măsurătorile lui a μ , chiar și cu o acuratețe semnificativ inferioară preciziei măsurătorilor lui a e [2] .

Pentru a căuta Noua Fizică prin studierea momentelor magnetice anormale ale particulelor, teoretic ar fi mai atractiv să folosim leptoni tau , chiar mai grei decât electronii și muonii, dar sunt mai greu de produs și se degradează prea repede [3] .

Interesul științei nu este valoarea obținută experimental a momentului magnetic anomal al muonului ( a μ exp ) , ci diferența acestuia ( a μ ) față de valoarea calculată (teoretică) ( a μ SM ) în cadrul SM ( SM ): a μ a μ exp a μ SM . $\Delta$ $\Delta$ $=$ $-$

În prezent, acuratețea calculării unui μ în cadrul SM a ajuns la 0,3–0,4 ppm . Între rezultatul măsurării unui μ în experimentul E821 și predicția acestuia în cadrul SM există o diferență de 3,5-4 abateri standard (σ) . Pe baza complexității experimentului și a calculelor, este prea devreme pentru a evalua acest nivel de diferență ca un fapt de încredere al manifestării Noii Fizici, totuși, acest rezultat a stârnit un mare interes în comunitatea științifică și este în prezent cea mai semnificativă observație a discrepanța dintre predicțiile Modelului Standard și rezultatele experimentale [4] , necesitând o verificare suplimentară .

Istorie

Studiul momentelor magnetice ale particulelor elementare a început cu experimentul lui Stern-Gerlach în 1921 [5] .

În 1947, în cursul măsurătorilor structurii hiperfine a tranzițiilor atomice, s-a constatat că împărțirea nivelurilor depășește puțin valoarea prezisă, ceea ce poate indica faptul că raportul giromagnetic al electronului este oarecum diferit de 2. Măsurătorile au arătat că momentul magnetic anormal (care este valoarea adimensională ) al unui electron este: a e =(1,15±0,04) 10 -3 [6] . $\cdot$

Schwinger a fost primul care a stabilit (1948-1949) că diferența dintre ge și 2 se datorează corecțiilor radiative și a calculat momentul magnetic anormal al electronului în teoria perturbației de ordinul întâi : a e =1,16 10 -3 , care a coincis în mod strălucit cu rezultatele măsurătorilor (împreună cu deplasării Lamb în 1947, acesta a fost un triumf pentru electrodinamica cuantică ) [2] . $\cdot$

În articolul „The Question of Parity Conservation in Weak Interactions ” (1956) , Lee și Yang au prezis pentru prima dată posibilitatea de a măsura momentul magnetic anormal al muonului [2] [7] .

Prima măsurătoare a raportului giromagnetic al muonilor ( g μ ) a fost efectuată în 1957 la ciclotronul Laboratorului Nevis ( Ervington , SUA ). Precizia de măsurare disponibilă ( g μ =2,00±0,10) nu ne-a permis să concluzionăm asupra mărimii momentului magnetic anormal al muonului, dar a fost posibil să stabilim că muonul este o particulă punctiformă (pentru o particulă compozită , g μ poate diferi semnificativ de 2), și s-a confirmat neconservarea parității în dezintegrarea muonilor și pionilor [2] .

O măsurătoare mai precisă la ciclotronul Nevis din 1960 ( g μ =2(1,00122±0,00008)) a confirmat cu o precizie de aproape 10% că a μ , unde este constanta structurii fine , adică muonul este un analog greu al electronului [ 2] . $\aproximativ \alpha /(2\pi )$ $\alfa$

În anii 1960 și 1970, mai multe măsurători ale unui μ au fost efectuate la CERN cu o precizie crescândă [4] :

Primul experiment (CERN I) a obținut o precizie relativă de 0,4%; predicția QED pentru un μ se confirmă ținând cont de contribuțiile ordinului și . $\alpha /\pi$ $(\alpha /\pi )$ $2$
Al doilea experiment de la sfârșitul anilor 1960 (CERN II) - precizie relativă de 0,027%; Predicția QED confirmată până la . În plus, pentru prima dată a fost măsurat momentul magnetic anormal al muonului atât pentru muon ( μ - ) cât și pentru antimuon ( μ + ). $(\alpha /\pi )$ $3$
A treia serie de experimente din anii 1970 (CERN III) cu o precizie relativă de 0,00073% (7,3 ppm ) a făcut posibilă „vederea” nu numai contribuția QED, ci și contribuția interacțiunilor puternice cu o precizie de ~10 %.

Următorul pas a fost experimentul E821, realizat la sfârșitul anilor 1990 și începutul anilor 2000 de către Brookhaven National Laboratory (BNL), a cărui precizie a fost de 14 ori mai mare decât cea a experimentului CERN III [4] .

Momentan in laborator Enrico Fermi experimentează cu Muon g−2 (E989) folosind magnetul experimentului E821, care, conform planului organizatorilor, ar trebui să mărească precizia valorii de 4 ori, până la 0,14 ppm [8] . Colectarea datelor a început în martie 2018 și este de așteptat să se încheie în septembrie 2022 [9] . În 2021, Fermilab a anunțat primele rezultate de măsurare a factorului g al momentului magnetic anormal al muonului, obținute în timpul primei sesiuni a experimentului Muon g−2, care au o discrepanță semnificativă statistic între abaterea standard și predicțiile de modelul standard [10] . Această anomalie este o dovadă puternică a existenței unei a cincea interacțiuni fundamentale [11] . Pe parcursul următoarelor sesiuni ale experimentului, acuratețea statistică a abaterii rezultatelor de la predicțiile Modelului Standard va crește și, foarte probabil, va atinge în curând nivelul suficient pentru descoperirea oficială a Noii Fizici [12] . $3.3$

În viitor, este, de asemenea, planificată să se efectueze un experiment și mai precis pentru a măsura momentul magnetic anormal al muonului E34 la J-PARC , începutul colectării datelor fiind programat pentru 2024 [13] .

Tabel

Experiment	An	Polaritatea muonilor	o μ	Precizie ( ppm )	Note și link-uri
CERN I	1961	µ +	0,0011450000(220000)	4300
CERN II	1962-1968	µ +	0,0011661600(3100)	270
CERN III	1974-1976	µ +	0,0011659100(110)	zece
CERN III	1975-1976	μ- _	0,0011659360(120)	zece
BNL (E821)	1997	µ +	0,0011659251(150)	13
BNL (E821)	1998	µ +	0,0011659191(59)	5
BNL (E821)	1999	µ +	0,0011659202(15)	1.3
BNL (E821)	2000	µ +	0,0011659204(9)	0,73
BNL (E821)	2001	μ- _	0,0011659214(9)	0,72
Muon g-2	2018 – prezent în.	µ +	0,00116592061(41)	0,35	Rezultatele primei sesiuni de lucru [14]

Înțeles

Teorie

În iunie 2020, grupul internațional Muon g−2 Theory Initiative , format din peste 130 de oameni de știință din 20 de țări [15] , reprezentând aproximativ 80 de instituții de cercetare, a publicat articolul „Anomalous magnetic moment of the muon in the Standard model”, în pe care ea a raportat cea mai precisă valoare calculată (teoretică) de acum (2021) a momentului magnetic anormal al muonului [16] :

a μSM = 116591810 (43)×10 −11 .

În 2021, Nature a publicat o lucrare a unui grup teoretic care folosește calcule numerice de supercomputer folosind cromodinamica cuantică în rețea , arătând un rezultat care este mai aproape de valoarea experimentală decât valoarea teoretică de consens din 2020 [17] .

Date experimentale

Cea mai precisă ( înainte de publicarea noilor rezultate ale Fermilab 2021, care sunt și mai precise ) a fost măsurarea momentului magnetic anormal al muonului, obținută în timpul experimentului E821 [18] , realizat de Brookhaven National Laboratory în 2006. - într-un câmp magnetic extern constant s-a studiat precesia muonului și antimuonului, care circulă în inelul limitator de stocare. Conform datelor obținute, partea anormală a momentului magnetic al muonului este [19] :

a μ exp , unde (54) și (33) sunt mărimile erorilor statistice și, respectiv, sistematice.

={\frac {g-2}{2}}=0,00116592080(54)(33)

Analiza statisticilor a făcut posibilă măsurarea independentă a unui μ pentru μ - și μ + cu o precizie de 0,7 ppm. Aceste rezultate au fost în acord unul cu celălalt, confirmând invarianța CPT . Prin combinarea rezultatelor pentru μ - și μ + s-a obținut rezultatul final cu o precizie de 0,54 ppm [4] .

Note

↑ Enciclopedia fizică » / ed. A. M. Prokhorova . - 1988, articol „Moment magnetic anormal”
↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 541.
↑ Logashenko I. B. Măsurarea secțiunii transversale a procesului + - + - și a momentului magnetic anormal al muonului $e$ $e$ $\sageata dreapta$ $\pi$ $\pi$ : Aprobarea unei teze de doctorat. - INP SB RAS , 2018. - 2 martie. - S. 1-92 .
↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 542.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 540.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 540-541.
^ Lee, Yang, 1956 .
↑ Fermilab (8 mai 2013). Experimentul revoluționar cu muoni va începe cu o mișcare de 3.200 de mile a inelului de depozitare a particulelor de 50 de picioare lățime . Comunicat de presă . Arhivat din original la 16 martie 2015. Preluat 2021-02-13 .
↑ Starea actuală a experimentului cu muonii g-2 la Fermilab . indico.cern.ch . Preluat la 28 septembrie 2020. Arhivat din original la 16 februarie 2021.
↑ Abi B și colab. Măsurarea momentului magnetic anomal al muonului pozitiv la 0,46 ppm // Fiz. Rev. Lett . 126 141801 (2021);
↑ Copie arhivată . Preluat la 11 aprilie 2021. Arhivat din original la 28 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ Experimentul Muon g-2 a observat abateri de la modelul standard în măsurătorile momentului magnetic al muonului . Preluat la 12 aprilie 2021. Arhivat din original la 12 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura și P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
↑ Marc, Tracy . Primele rezultate ale experimentului Muon g-2 al Fermilab întăresc dovezile unei noi fizici , Fermilab (7 aprilie 2021). Arhivat din original pe 7 aprilie 2021. Preluat la 7 aprilie 2021.
↑ Australia, Austria, Marea Britanie, Germania, Danemarca, Spania, Italia, Canada, China, Mexic, Polonia, Portugalia, Rusia, România, SUA, Franța, Elveția, Suedia, Africa de Sud, Japonia.
↑ Momentul magnetic anormal al muonului în modelul standard, 2020 .
↑ Noile rezultate accentuează și încurcă misterul momentului magnetic anormal al muonului . Preluat la 25 aprilie 2021. Arhivat din original la 20 aprilie 2021. (nedefinit)
↑ Pagina de pornire a experimentului Muon g-2 . G-2.bnl.gov (8 ianuarie 2004). Preluat la 6 ianuarie 2012. Arhivat din original la 19 mai 2018. (nedefinit)
↑ (din recenzia din iulie 2007 realizată de Particle Data Group) . Data accesului: 6 ianuarie 2012. Arhivat din original la 12 decembrie 2011. (nedefinit)

Literatură

Logashenko I. B., Eidelman S. I. Moment magnetic anormal al muonului // Uspekhi fizicheskikh nauk : zhurnal. - M. : P. N. Institutul de Fizică Lebedev al Academiei Ruse de Științe , 2018. - Mai ( vol. 188 , nr. 5 ). - S. 540-573 . — ISSN 0042-1294 . - doi : 10.3367/UFNr.2018.02.038312 .
Lee TD, Yang CN Problema conservării parității în interacțiuni slabe // Revizuire fizică : Jurnal . - American Physical Society , 1956. - 1 octombrie ( vol. 104 (254) , nr. 1 ). - P. 254-258 . - doi : 10.1103/PhysRev.104.254 .
Momentul magnetic anormal al muonului în modelul standard // Physics Reports : journal . - Elsevier , 2020. - 3 decembrie ( vol. 887 ). - P. 1-166 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .
Istoria experimentelor muonului (g−2).
Raportul final al măsurării momentului magnetic anomal al muonului E821 la BNL
Măsurarea momentului magnetic anomal al muonului negativ la 0,7 ppm