Anomální magnetický moment mionu

Anomální magnetický moment mionu je odchylka magnetického momentu mionu od „normální“ hodnoty předpovězené kvantově mechanickou relativistickou rovnicí pohybu mionu [1] . Označuje se μ [2] .

Úvod

Nenulová hodnota anomálního magnetického momentu ( a ) je důsledkem interakce částice s virtuálními částicemi - fluktuacemi vakuových kvantových polí . Měřením hodnoty a lze odhadnout celkový příspěvek všech existujících polí ( interakcí ), včetně těch, která přesahují limity standardního modelu (SM).

Velikost anomálního magnetického momentu elektronu ( a e ) je téměř zcela určena elektromagnetickými interakcemi , zatímco v případě anomálního magnetického momentu mionu ( a μ ) je dominance elektromagnetického příspěvku poněkud oslabena. Významná hmotnost mionu (téměř 207krát těžší než elektron) zvyšuje příspěvek masivních polí ve srovnání s dalších≈207(000krát43přibližněae hypotetických interakcí mimo SM). To zpočátku vedlo k velkému zájmu o měření a μ , dokonce i s přesností výrazně nižší než přesnost měření a e [2] .

Pro hledání Nové fyziky studiem anomálních magnetických momentů částic by teoreticky bylo atraktivnější použít tau leptony , dokonce těžší než elektrony a miony, ale jejich výroba je obtížnější a rozpadají se příliš rychle [3] .

Zájmem vědy není experimentálně získaná hodnota mionového anomálního magnetického momentu ( a μ exp ) , ale jeho rozdíl ( a μ ) od vypočtené (teoretické) hodnoty ( a μ SM ) v rámci SM ( SM ): a μ a μ exp a μ SM . $\Delta$ $\Delta$ $=$ $-$

V současné době dosahuje přesnost výpočtu μ v rámci SM 0,3–0,4 ppm . Mezi výsledkem měření a μ v experimentu E821 a jeho predikcí v rámci SM je rozdíl 3,5-4 směrodatné odchylky (σ) . Na základě složitosti experimentu a výpočtů je zatím příliš brzy hodnotit tuto míru rozdílu jako spolehlivý fakt projevu Nové fyziky, nicméně tento výsledek vzbudil ve vědecké komunitě velký zájem a je v současnosti nejvýznamnějším pozorováním nesoulad mezi predikcemi Standardního modelu a experimentálními výsledky [4] , vyžadující další ověření .

Historie

Studium magnetických momentů elementárních částic začalo Stern-Gerlachovým experimentem v roce 1921 [5] .

V roce 1947 bylo v průběhu měření hyperjemné struktury atomových přechodů zjištěno, že rozdělení hladin mírně překračuje předpokládanou hodnotu, což může naznačovat, že gyromagnetický poměr elektronového ge je poněkud odlišný od 2. Měření ukázala že anomální magnetický moment (což je bezrozměrná hodnota ) elektronu je: a e =(1,15±0,04) 10 -3 [6] . $\cdot$

Schwinger jako první prokázal (1948-1949), že rozdíl mezi ge a 2 je způsoben radiačními korekcemi , a vypočítal anomální magnetický moment elektronu v prvním řádu poruchové teorie : a e = 1,16 10-3 , který se skvěle shodovaly s výsledky měření (společně s Lambova posunu v roce 1947 to byl triumf kvantové elektrodynamiky ) [2] . $\cdot$

V článku „The Question of Parity Conservation in Weak Interactions “ (1956) Lee a Yang poprvé předpověděli možnost měření anomálního magnetického momentu mionu [2] [7] .

První měření mionového gyromagnetického poměru ( g μ ) bylo provedeno v roce 1957 na cyklotronu Nevis Laboratory ( Ervington , USA ). Dostupná přesnost měření ( g μ =2,00±0,10) nám neumožnila učinit závěr o velikosti anomálního magnetického momentu mionu, ale bylo možné stanovit, že mion je bodová částice (pro složenou částici g μ se může významně lišit od 2) a byla potvrzena nekonzervace parity v rozpadu mionů a pionů [2] .

Přesnější měření na Nevisově cyklotronu z roku 1960 ( g μ =2(1,00122±0,00008)) potvrdilo s téměř 10% přesností, že a μ , kde je konstanta jemné struktury , to znamená, že mion je těžkým analogem elektronu [ 2] . $\approx \alpha /(2\pi )$ $\alpha$

V 60. a 70. letech 20. století bylo v CERNu s rostoucí přesností provedeno několik měření μ [4] :

První experiment (CERN I) dosáhl relativní přesnosti 0,4 %; předpověď QED pro μ je potvrzena s přihlédnutím k příspěvkům objednávky a . $\alpha /\pi$ $(\alpha /\pi )$ $2$
Druhý experiment z konce 60. let (CERN II) - relativní přesnost 0,027 %; Predikce QED potvrzena až . Navíc byl poprvé měřen anomální magnetický moment mionu jak pro mion ( μ - ), tak pro antimion ( μ + ). $(\alpha /\pi )$ $3$
Třetí série experimentů v 70. letech (CERN III) s relativní přesností 0,00073 % (7,3 ppm ) umožnila „vidět“ nejen příspěvek QED, ale také příspěvek silných interakcí s přesností ~10 %.

Dalším krokem byl experiment E821, provedený na konci 90. let a na počátku 21. století v Brookhaven National Laboratory (BNL), jehož přesnost byla 14krát vyšší než u experimentu CERN III [4] .

Momentálně v laboratoři Enrico Fermi experimentuje s Muonem g−2 (E989) pomocí magnetu experimentu E821, který by měl podle plánu organizátorů zvýšit přesnost hodnoty 4krát, až na 0,14 ppm [8] . Sběr dat začal v březnu 2018 a očekává se, že skončí v září 2022 [9] . V roce 2021 společnost Fermilab oznámila první výsledky měření g-faktoru anomálního magnetického momentu mionu, získané během první relace experimentu Muon g−2, které vykazují statisticky významný nesoulad mezi směrodatnou odchylkou a předpovědí mionu. standardní model [10] . Tato anomálie je silným důkazem existence páté základní interakce [11] . Během dalších sezení experimentu se statistická přesnost odchylky výsledků od předpovědí Standardního modelu zvýší a velmi pravděpodobně brzy dosáhne úrovně dostatečné pro oficiální objev Nové fyziky [12] . $3.3$

V budoucnu se také plánuje provedení ještě přesnějšího experimentu na měření anomálního magnetického momentu mionu E34 na J-PARC , začátek sběru dat je naplánován na rok 2024 [13] .

Tabulka

Experiment	Rok	Polarita mionu	a μ	Přesnost ( ppm )	Poznámky a odkazy
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)	deset
CERN III	1975-1976	μ- _	0,0011659360(120)	deset
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
mion g-2	2018 – současnost v.	µ +	0,00116592061(41)	0,35	Výsledky prvního pracovního zasedání [14]

Význam

Teorie

V červnu 2020 publikovala mezinárodní skupina Muon g−2 Theory Initiative , složená z více než 130 vědců z 20 zemí [15] , zastupujících asi 80 výzkumných institucí, článek „Anomální magnetický moment mionu ve standardním modelu“, v r. kterou uvedla jako dosud nejpřesnější (2021) vypočítanou (teoretickou) hodnotu anomálního magnetického momentu mionu [16] :

a μSM = 116591810 (43)× 10-11 .

V roce 2021 Nature publikoval článek teoretické skupiny využívající superpočítačové numerické výpočty využívající mřížkovou kvantovou chromodynamiku , ukazující výsledek, který je bližší experimentální než konsensuální teoretické hodnotě z roku 2020 [17] .

Experimentální data

Nejpřesnější ( před zveřejněním nových výsledků Fermilabu 2021, které jsou ještě přesnější ) bylo měření anomálního magnetického momentu mionu, získaného během experimentu E821 [18] , provedeného Brookhaven National Laboratory v roce 2006 - v konstantním vnějším magnetickém poli byla studována precese mionu a antimionu, cirkulujících v omezujícím zásobním kruhu. Podle získaných dat je anomální část magnetického momentu mionu [19] :

a μ exp , kde (54) a (33) jsou velikosti statistických a systematických chyb .

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

Analýza statistik umožnila nezávisle měřit μ pro μ - a μ + s přesností 0,7 ppm. Tyto výsledky byly ve vzájemné dobré shodě a potvrzovaly invarianci CPT . Kombinací výsledků pro μ - a μ + byl získán konečný výsledek s přesností 0,54 ppm [4] .

Poznámky

↑ Fyzická encyklopedie » / ed. A. M. Prochorova . - 1988, článek "Anomální magnetický moment"
↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , str. 541.
↑ Logashenko I. B. Měření průřezu procesu + - + - a anomálního magnetického momentu mionu $E$ $E$ $\šipka doprava$ $\pi$ $\pi$ : Schválení doktorské disertační práce. - INP SB RAS , 2018. - 2. března. - S. 1-92 .
↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , str. 542.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , str. 540.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , str. 540-541.
↑ Lee, Yang, 1956 .
↑ Fermilab (8. května 2013). Revoluční experiment s miony začne 3200 mil přesunem 50 stop širokého prstence pro ukládání částic . Tisková zpráva . Archivováno z originálu 16. března 2015. Staženo 2021-02-13 .
↑ Aktuální stav experimentu s miony g-2 ve Fermilabu . indico.cern.ch . Získáno 28. září 2020. Archivováno z originálu dne 16. února 2021.
↑ Abi B a kol. Měření pozitivního mionového anomálního magnetického momentu do 0,46 ppm // Phys. Rev. Lett . 126 141801 (2021);
↑ Archivovaná kopie . Získáno 11. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 28. dubna 2021. (neurčitý)
↑ Experiment s mionem g-2 zaznamenal odchylky od standardního modelu v měření magnetického momentu mionu . Získáno 12. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 12. dubna 2021. (neurčitý)
↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura a P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
↑ Marc, Tracy . První výsledky z Fermilabova experimentu Muon g-2 posilují důkazy o nové fyzice , Fermilab (7. dubna 2021). Archivováno z originálu 7. dubna 2021. Staženo 7. dubna 2021.
↑ Austrálie, Rakousko, Velká Británie, Německo, Dánsko, Španělsko, Itálie, Kanada, Čína, Mexiko, Polsko, Portugalsko, Rusko, Rumunsko, USA, Francie, Švýcarsko, Švédsko, Jižní Afrika, Japonsko.
↑ Anomální magnetický moment mionu ve standardním modelu, 2020 .
↑ Nové výsledky vyostřují a matou záhadu anomálního magnetického momentu mionu . Získáno 25. dubna 2021. Archivováno z originálu dne 20. dubna 2021. (neurčitý)
↑ Domovská stránka experimentu Muon g-2 . G-2.bnl.gov (8. ledna 2004). Získáno 6. ledna 2012. Archivováno z originálu 19. května 2018. (neurčitý)
↑ (z revize z července 2007 skupinou Particle Data Group) . Datum přístupu: 6. ledna 2012. Archivováno z originálu 12. prosince 2011. (neurčitý)

Literatura

Logashenko I. B., Eidelman S. I. Anomální magnetický moment mionu // Uspekhi fizicheskikh nauk : zhurnal. - M. : Fyzikální ústav P. N. Lebeděva Ruské akademie věd , 2018. - Květen ( roč. 188 , č. 5 ). - S. 540-573 . — ISSN 0042-1294 . - doi : 10.3367/UFNr.2018.02.038312 .
Lee TD, Yang CN Otázka zachování parity ve slabých interakcích // Fyzická recenze : Journal . - American Physical Society , 1956. - 1. října ( roč. 104 (254) , č. 1 ). - str. 254-258 . - doi : 10.1103/PhysRev.104.254 .
Anomální magnetický moment mionu ve standardním modelu // Physics Reports : journal . - Elsevier , 2020. - 3. prosince ( sv. 887 ). - str. 1-166 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .
Historie experimentů s miony (g−2).
Závěrečná zpráva z měření anomálního magnetického momentu mionu E821 v BNL
Měření anomálního magnetického momentu negativního mionu do 0,7 ppm