Unormalt magnetisk moment af myonen

Det unormale magnetiske moment for myonen er afvigelsen af myonens magnetiske moment fra den "normale" værdi forudsagt af den kvantemekaniske relativistiske ligning for muonbevægelse [1] . Benævnt en μ [2] .

Introduktion

Ikke-nul værdien af det unormale magnetiske moment ( a ) er en konsekvens af en partikels interaktion med virtuelle partikler - udsving i vakuumkvantefelterne . Ved at måle værdien af en , kan man estimere det samlede bidrag fra alle eksisterende felter ( interaktioner ), inklusive dem, der går ud over grænserne for standardmodellen (SM).

Størrelsen af det unormale magnetiske moment af elektronen ( a e ) er næsten fuldstændigt bestemt af elektromagnetiske vekselvirkninger , mens i tilfælde af det unormale magnetiske moment af myonen ( a μ ) er dominansen af det elektromagnetiske bidrag noget svækket. Den betydelige masse af myonen (næsten 207 gange tungere end elektronen) øger bidraget fra massive felter sammenlignet med ≈207(gange43.000cirkamedea hypotetiske interaktioner uden for SM. Dette førte i starten til stor interesse for målingerne af en μ , selv med en nøjagtighed væsentligt ringere end nøjagtigheden af målingerne af en e [2] .

At søge efter Ny Fysik ved at studere partiklernes unormale magnetiske momenter, ville det teoretisk set være mere attraktivt at bruge tau leptoner , endda tungere end elektroner og myoner, men de er sværere at producere, og de henfalder for hurtigt [3] .

Videnskabens interesse er ikke den eksperimentelt opnåede værdi af det unormale magnetiske muonmoment ( a μ exp ) , men dets forskel ( a μ ) fra den beregnede (teoretiske) værdi ( a μ SM ) inden for SM ( SM ): a μ a μ exp a μ SM . $\Delta$ $\Delta$ $=$ $-$

På nuværende tidspunkt er nøjagtigheden af at beregne en μ inden for rammerne af SM nået 0,3-0,4 ppm . Mellem resultatet af måling af en μ i E821-eksperimentet og dets forudsigelse inden for SM er der en forskel på 3,5-4 standardafvigelser (σ) . Baseret på kompleksiteten af eksperimentet og beregningerne er det for tidligt at vurdere dette forskelsniveau som en pålidelig kendsgerning af manifestationen af New Physics, men dette resultat vakte stor interesse i det videnskabelige samfund og er i øjeblikket den mest betydningsfulde observation af uoverensstemmelsen mellem forudsigelserne af standardmodellen og de eksperimentelle resultater [4] , der kræver yderligere verifikation .

Historie

Studiet af elementarpartiklernes magnetiske momenter begyndte med Stern-Gerlachs forsøg i 1921 [5] .

I 1947, i løbet af målinger af den hyperfine struktur af atomare overgange, fandt man ud af, at opdelingen af niveauer lidt overstiger den forudsagte værdi, hvilket kan tyde på, at det gyromagnetiske forhold mellem elektronen ge er noget anderledes end 2. Målingerne viste at det unormale magnetiske moment (som er dimensionsløs værdi ) af en elektron er: a e =(1,15±0,04) 10 -3 [6] . $\cdot$

Schwinger var den første til at fastslå (1948-1949), at forskellen mellem ge og 2 skyldes strålingskorrektioner , og beregnede det unormale magnetiske moment af elektronen i den første orden af forstyrrelsesteori : a e = 1,16 10 -3 , som faldt glimrende sammen med måleresultaterne (sammen med Lamb shift i 1947 var dette en triumf for kvanteelektrodynamikken ) [2] . $\cdot$

I artiklen "The Question of Parity Conservation in Weak Interactions " (1956) forudsagde Lee og Yang først muligheden for at måle myonens unormale magnetiske moment [2] [7] .

Den første måling af det myon gyromagnetiske forhold ( g μ ) blev udført i 1957 ved cyklotronen fra Nevis Laboratory ( Ervington , USA ). Den tilgængelige målenøjagtighed ( g μ =2,00±0,10) tillod os ikke at konkludere om størrelsen af det unormale magnetiske moment af myonen, men det var muligt at fastslå, at myonen er en punktpartikel (for en sammensat partikel, g μ kan afvige væsentligt fra 2), og det blev bekræftet paritets-ikke-konservering i henfaldet af myoner og pioner [2] .

En mere nøjagtig måling ved Nevis-cyklotronen fra 1960 ( g μ =2(1,00122±0,00008)) bekræftede med næsten 10% nøjagtighed, at en μ , hvor er finstrukturkonstanten , dvs., at myonen er en tung analog af elektronen [ 2] . $\approx \alpha /(2\pi )$ $\alfa$

I 1960'erne og 1970'erne blev flere målinger af en μ udført på CERN med stigende nøjagtighed [4] :

Det første eksperiment (CERN I) opnåede en relativ nøjagtighed på 0,4 %; QED-forudsigelsen for en μ bekræftes under hensyntagen til bidragene fra ordren og . $\alpha /\pi$ $(\alpha /\pi )$ $2$
Det andet eksperiment i slutningen af 1960'erne (CERN II) - relativ nøjagtighed på 0,027%; QED forudsigelse bekræftet op til . Derudover blev det unormale magnetiske moment af myonen for første gang målt for både myonen ( μ - ) og antimuonen ( μ + ). $(\alpha /\pi )$ $3$
Den tredje serie af eksperimenter i 1970'erne (CERN III) med en relativ nøjagtighed på 0,00073% (7,3 ppm ) gjorde det muligt at "se" ikke kun bidraget fra QED, men også bidraget fra stærke interaktioner med en nøjagtighed på ~10 %.

Næste trin var E821-eksperimentet, udført i slutningen af 1990'erne og begyndelsen af 2000'erne af Brookhaven National Laboratory (BNL), hvis nøjagtighed var 14 gange højere end CERN III-eksperimentet [4] .

Lige nu i laboratoriet Enrico Fermi eksperimenterer med Muon g−2 (E989) ved hjælp af magneten fra eksperimentet E821, som ifølge arrangørernes plan skulle øge nøjagtigheden af værdien med 4 gange, op til 0,14 ppm [8] . Dataindsamlingen begyndte i marts 2018 og forventes afsluttet i september 2022 [9] . I 2021 annoncerede Fermilab de første måleresultater af g-faktoren for myonens unormale magnetiske moment, opnået under den første session af Muon g−2-eksperimentet, som har en statistisk signifikant uoverensstemmelse mellem standardafvigelsen og forudsigelserne af standardmodellen [10] . Denne anomali er et stærkt bevis for eksistensen af en femte fundamental interaktion [11] . I løbet af de næste sessioner af eksperimentet vil den statistiske nøjagtighed af afvigelsen af resultaterne fra forudsigelserne af standardmodellen stige og vil meget sandsynligt snart nå det niveau, der er tilstrækkeligt til den officielle opdagelse af Ny Fysik [12] . $3.3$

I fremtiden er det også planlagt at gennemføre et endnu mere præcist eksperiment for at måle det unormale magnetiske moment af E34-muonen ved J-PARC , starten af dataindsamlingen er planlagt til 2024 [13] .

Tabel

Eksperiment	År	Muon polaritet	en μ	Nøjagtighed ( ppm )	Noter og links
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)	ti
CERN III	1975-1976	μ- _	0,0011659360(120)	ti
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 – i dag i.	µ +	0,00116592061(41)	0,35	Resultater af den første arbejdssession [14]

Betydning

Teori

I juni 2020 offentliggjorde den internationale gruppe Muon g−2 Theory Initiative , bestående af mere end 130 forskere fra 20 lande [15] , der repræsenterer omkring 80 forskningsinstitutioner, artiklen "Anomalous magnetic moment of the muon in the Standard model", i som hun rapporterede den mest nøjagtige som nu (2021) beregnede (teoretiske) værdi af det unormale magnetiske moment af myonen [16] :

a μSM = 116591810 (43)×10 −11 .

I 2021 udgav Nature et papir af en teoretisk gruppe, der brugte supercomputer- numeriske beregninger ved hjælp af gitterkvantekromodynamik , som viser et resultat, der er tættere på den eksperimentelle end den 2020-konsensus teoretiske værdi [17] .

Eksperimentelle data

Den mest nøjagtige ( før offentliggørelsen af de nye resultater af Fermilab 2021, som er endnu mere nøjagtige ) var måling af det unormale magnetiske moment af myonen, opnået under eksperimentet E821 [18] , udført af Brookhaven National Laboratory i 2006 - i et konstant eksternt magnetfelt blev præcessionen af myon og antimuon undersøgt, cirkulerende i den begrænsende lagerring. Ifølge de opnåede data er den unormale del af det magnetiske muonmoment [19] :

a μ exp , hvor (54) og (33) er størrelsen af henholdsvis statistiske og systematiske fejl .

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

Analyse af statistik gjorde det muligt at måle en μ uafhængigt for μ - og μ + med en nøjagtighed på 0,7 ppm. Disse resultater var i god overensstemmelse med hinanden, hvilket bekræfter CPT-invariansen . Ved at kombinere resultaterne for μ - og μ + blev det endelige resultat opnået med en nøjagtighed på 0,54 ppm [4] .

Noter

↑ Physical Encyclopedia » / udg. A. M. Prokhorova . - 1988, artikel "Anomalous magnetic moment"
↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 541.
↑ Logashenko I. B. Måling af tværsnittet af processen + - + - og det unormale magnetiske moment af myonen $e$ $e$ $\højre pil$ $\pi$ $\pi$ : Godkendelse af en doktorafhandling. - INP SB RAS , 2018. - 2. marts. - S. 1-92 .
↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 542.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 540.
↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 540-541.
↑ Lee, Yang, 1956 .
↑ Fermilab (8. maj 2013). Revolutionært myoneksperiment til at begynde med 3.200 mils bevægelse af 50 fod bred partikelopbevaringsring . Pressemeddelelse . Arkiveret fra originalen 16. marts 2015. Hentet 2021-02-13 .
↑ Nuværende tilstand af g-2-myon-eksperimentet ved Fermilab . indico.cern.ch . Hentet 28. september 2020. Arkiveret fra originalen 16. februar 2021.
↑ Abi B et al. Måling af det positive muon anomale magnetiske moment til 0,46 ppm // Fysisk. Rev. Lett . 126 141801 (2021);
↑ Arkiveret kopi . Hentet 11. april 2021. Arkiveret fra originalen 28. april 2021. (ubestemt)
↑ Muon g-2-eksperimentet så afvigelser fra standardmodellen i målinger af myonens magnetiske moment . Hentet 12. april 2021. Arkiveret fra originalen 12. april 2021. (ubestemt)
↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura og P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
↑ Marc, Tracy . De første resultater fra Fermilabs Muon g-2-eksperiment styrker beviser for ny fysik , Fermilab (7. april 2021). Arkiveret fra originalen den 7. april 2021. Hentet 7. april 2021.
↑ Australien, Østrig, Storbritannien, Tyskland, Danmark, Spanien, Italien, Canada, Kina, Mexico, Polen, Portugal, Rusland, Rumænien, USA, Frankrig, Schweiz, Sverige, Sydafrika, Japan.
↑ Det unormale magnetiske moment af myonen i standardmodellen, 2020 .
↑ Nye resultater skærper og forvirrer mysteriet om myonens unormale magnetiske øjeblik . Hentet 25. april 2021. Arkiveret fra originalen 20. april 2021. (ubestemt)
↑ Hjemmesiden til Muon g-2-eksperimentet . G-2.bnl.gov (8. januar 2004). Hentet 6. januar 2012. Arkiveret fra originalen 19. maj 2018. (ubestemt)
↑ (fra juli 2007 gennemgang af Particle Data Group) . Dato for adgang: 6. januar 2012. Arkiveret fra originalen 12. december 2011. (ubestemt)

Litteratur

Logashenko I. B., Eidelman S. I. Muonens unormale magnetiske moment // Uspekhi fizicheskikh nauk : zhurnal. - M. : P. N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences , 2018. - May ( vol. 188 , nr. 5 ). - S. 540-573 . — ISSN 0042-1294 . - doi : 10.3367/UFNr.2018.02.038312 .
Lee TD, Yang CN Spørgsmål om paritetsbevarelse i svage interaktioner // Fysisk gennemgang : Journal . - American Physical Society , 1956. - 1. oktober ( bind 104 (254) , nr. 1 ). - S. 254-258 . - doi : 10.1103/PhysRev.104.254 .
Det unormale magnetiske moment af myonen i standardmodellen // Physics Reports : journal . - Elsevier , 2020. - 3. december ( bind 887 ). - S. 1-166 . - doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .
The History of the Muon (g−2) Eksperimenter
Slutrapport af Muon E821 måling af unormalt magnetisk moment på BNL
Måling af det negative muon-anomale magnetiske moment til 0,7 ppm