Русская Википедия:Аномальный магнитный момент мюона

Материал из Онлайн справочника
Перейти к навигацииПерейти к поиску

Анома́льный магни́тный моме́нт мюо́на — отклонение величины магнитного момента мюона от «нормального» значения, предсказываемого квантовомеханическим релятивистским уравнением движения мюона[1]. Обозначается Шаблон:MathШаблон:Sfn.

Введение

Ненулевое значение аномального магнитного момента (Шаблон:Math) есть следствием взаимодействия частицы с виртуальными частицами — флуктуациями квантовых полей вакуума. Измеряя величину Шаблон:Math, можно оценить суммарный вклад всех существующих полей (взаимодействий), в том числе выходящих за пределы Стандартной модели (СМ).

Величина аномального магнитного момента электрона (Шаблон:Math) почти полностью определяется электромагнитными взаимодействиями, тогда как в случае аномального магнитного момента мюона (Шаблон:Math) доминирование электромагнитного вклада несколько ослаблено. Значительная масса мюона (тяжелее электрона почти в 207 раз) усиливает вклад массивных полей по сравнению с Шаблон:Math приблизительно в 43 000 раз (≈2072), что позволяет «увидеть» проявления полей за рамками КЭД — сильных, слабых, и, возможно, других, ещё не открытых, гипотетических взаимодействий за пределами СМ. Это изначально обусловило большой интерес к измерениям Шаблон:Math, даже с точностью, значительно уступающей точности измерений Шаблон:MathШаблон:Sfn.

Для поиска Новой физики путём исследования аномальных магнитных моментов частиц теоретически было бы привлекательнее использовать ещё более тяжёлые, чем электроны и мюоны, тау-лептоны, однако их сложнее производить, и они слишком быстро распадаются[2].

Интерес науки вызывает не сама экспериментально полученная величина аномального магнитного момента мюона (Шаблон:Math)Шаблон:Переход, а её отличие (<math>\Delta</math>Шаблон:Math)Шаблон:Переход от расчётного (теоретического) значения (Шаблон:Math)Шаблон:Переход в рамках СМ (SM): <math>\Delta</math>Шаблон:Math<math>=</math>Шаблон:Math<math>-</math>Шаблон:Math.

На текущее время точность расчёта Шаблон:Math в рамках СМ достигла 0,3—0,4 ppm. Между результатом измерения Шаблон:Math в эксперименте E821Шаблон:Переход и его предсказанием в рамках СМШаблон:Переход наблюдается разница в 3,5—4 стандартных отклонения (σ). Исходя из сложности эксперимента и расчётов, такой уровень различия пока рано оценивать как надёжный факт проявления Новой физики, однако данный результат вызвал огромный интерес научного сообщества и на текущий момент является наиболее значимым наблюдением расхождения предсказаний Стандартной модели с результатами экспериментаШаблон:Sfn, требующим дальнейшей проверкиШаблон:Переход.

История

Изучение магнитных моментов элементарных частиц началось с опыта Штерна — Герлаха в 1921 годуШаблон:Sfn.

В 1947 году, в ходе измерений сверхтонкой структуры атомных переходов, было установлено, что расщепление уровней немного превышает предсказанное значение, что может указывать на то, что гиромагнитное отношение электрона Шаблон:Math несколько отличается от 2. Измерения показали, что аномальный магнитный момент (представляющий собой безразмерную величину) электрона равен: Шаблон:Mathe=(1,15±0,04)<math>\cdot</math>10Шаблон:SupШаблон:Sfn.

Швингер первым установил (1948—1949), что отличие Шаблон:Math от 2 обусловлено радиационными поправками, и вычислил аномальный магнитный момент электрона в первом порядке теории возмущений: Шаблон:Mathe=1,16<math>\cdot</math>10Шаблон:Sup, блестяще совпавший с результатами измерений (в совокупности с вычислением лэмбовского сдвига в 1947 году это стало триумфом квантовой электродинамики)Шаблон:Sfn.

В статье «Вопрос сохранения чётности в слабых взаимодействиях» (1956) Ли и Янг впервые предсказали возможность измерения аномального магнитного момента мюонаШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Первое измерение гиромагнитного отношения мюона (Шаблон:Mathμ) было проведено в 1957 году на циклотроне Шаблон:Iw (Эрвингтон, США). Имеющаяся точность измерения (Шаблон:Mathμ=2,00±0,10) не позволила сделать вывод о величине аномального магнитного момента мюона, но удалось установить, что мюон является точечной частицей (для составной частицы Шаблон:Math может значительно отличаться от 2), и подтвердилось несохранение чётности при распадах мюонов и пионовШаблон:Sfn.

Более точное измерение на циклотроне Nevis 1960 года (Шаблон:Mathμ=2(1,00122±0,00008)) почти с 10 %-й точностью подтвердило, что Шаблон:Math<math>\approx\alpha/(2\pi)</math>, где <math>\alpha</math> — постоянная тонкой структуры, то есть мюон является тяжёлым аналогом электронаШаблон:Sfn.

В 1960—1970-х годах в ЦЕРНе было проведено несколько измерений Шаблон:Math со всё возрастающей точностьюШаблон:Sfn:

  • Первый эксперимент (CERN I) — достигнута относительная точность 0,4 %; подтверждено предсказание КЭД для Шаблон:Math с учётом вкладов порядка <math>\alpha/\pi</math> и <math>(\alpha/\pi)</math><math>2</math>.
  • Второй эксперимент конца 1960-х годов (CERN II) — относительная точность 0,027 %; предсказание КЭД подтверждено до <math>(\alpha/\pi)</math><math>3</math>. Кроме того, впервые аномальный магнитный момент мюона был измерен как для мюона (Шаблон:Math-), так и для антимюона (Шаблон:Math+).
  • Третья серия экспериментов 1970-х годов (CERN III) — относительная точность 0,00073 % (7,3 ppm) дала возможность «увидеть» не только вклад КЭД, но и вклад сильных взаимодействий с точностью ~10 %.

Следующим этапом стал проведённый в конце 1990-х — начале 2000-х годов Брукхейвенской национальной лабораторией (BNL) эксперимент E821, точность которого в 14 раз превысила точность эксперимента CERN IIIШаблон:SfnШаблон:Переход.

В настоящее время в лаборатории им. Энрико Ферми идёт эксперимент Шаблон:Нп5 (E989) с использованием магнита эксперимента E821, который, по замыслу организаторов, должен повысить точность значения в 4 раза, до 0,14 ppm[3]. Сбор данных начался в марте 2018 года, окончание ожидается в сентябре 2022 года[4]. В 2021 году Фермилаб объявила первые результаты измерения g-Фактора аномального магнитного момента мюона, полученные в ходе первого сеанса работы эксперимента Muon g−2, имеющие статистически значимое расхождение <math>3,3</math> стандартных отклонения с предсказаниями Стандартной модели[5]. Эта аномалия является сильным свидетельством существования пятого фундаментального взаимодействия[6]. В ходе следующих сеансов работы эксперимента статистическая точность отклонения результатов от предсказаний Стандартной модели будет увеличиваться и, весьма вероятно, скоро достигнет планки, достаточной для официального открытия Новой физики[7].

В будущем также планируется провести ещё более точный эксперимент по измерению аномального магнитного момента мюона E34 в J-PARC, начало сбора данных запланировано на 2024 год[8].

Таблица

Эксперимент Год Полярность мюонов Шаблон:MathШаблон:Sub Точность (ppm) Примечания и ссылки
CERN I 1961 Шаблон:Math+ 0,0011450000(220000) 4300
CERN II 1962—1968 Шаблон:Math+ 0,0011661600(3100) 270
CERN III 1974—1976 Шаблон:Math+ 0,0011659100(110) 10
CERN III 1975—1976 Шаблон:Math- 0,0011659360(120) 10
BNL (E821) 1997 Шаблон:Math+ 0,0011659251(150) 13
BNL (E821) 1998 Шаблон:Math+ 0,0011659191(59) 5
BNL (E821) 1999 Шаблон:Math+ 0,0011659202(15) 1,3
BNL (E821) 2000 Шаблон:Math+ 0,0011659204(9) 0,73
BNL (E821) 2001 Шаблон:Math- 0,0011659214(9) 0,72
Muon g-2 2018—Шаблон:Н.в. Шаблон:Math+ 0,00116592061(41) 0,35 Результаты первого сеанса работы[9]


В марте 2023 года Новосибирские физике на детекторе КМД-3 коллайдера ВПП измерили магнитный момент сбора и он оказался совпадающим с теоретическим [10]

Значение

Теория

В июне 2020 года международная группа «Инициатива по теории мюона g−2» (Muon g−2 Theory Initiative) в составе более 130 учёных из 20 стран[11], представляющих около 80 исследовательских учреждений, опубликовала статью «Аномальный магнитный момент мюона в Стандартной модели», в котором сообщила наиболее точное по состоянию на настоящее время (2021) расчётное (теоретическое) значение аномального магнитного момента мюонаШаблон:Sfn:

Шаблон:MathШаблон:SubШаблон:Sup = 116591810(43)×10Шаблон:Sup.

В 2021 году в журнале Nature была опубликована статья теоретической группы, использовавшей численный расчёт на суперкомпьютерах с помощью метода квантовой хромодинамики на решётке, показавший результат, который ближе к экспериментальному, чем к консенсусному теоретическому значению 2020 года[12].

Экспериментальные данные

Наиболее точным (до публикации новых результатов Фермилаба 2021 года, которые ещё точнее) являлось измерение аномального магнитного момента мюона, полученное в ходе эксперимента E821[13], проведённого Брукхейвенской национальной лабораторией в 2006 году — в постоянном внешнем магнитном поле изучалась прецессия мюона и антимюона, циркулировавших в ограничивающем накопительном кольце. Согласно полученным данным, аномальная часть магнитного момента мюона составляет[14]:

Шаблон:Math<math> = \frac{g-2}{2} = 0.00116592080(54)(33)</math>, где (54) и (33) — размеры статистической и систематической погрешностей соответственно.

Анализ статистики позволил измерить Шаблон:Math независимо для Шаблон:Math- и Шаблон:Math+ с точностью 0,7 ppm. Данные результаты хорошо согласовались между собой, подтверждая CPT-инвариантность. Путём объединения результатов для Шаблон:Math- и Шаблон:Math+ был получен окончательный результат с точностью 0,54 ppmШаблон:Sfn.

Примечания

Шаблон:Примечания

Литература

Партнерские ресурсы
Криптовалюты
Магазины
Хостинг
Разное

  1. ↑ Физическая энциклопедия» / под ред. А. М. Прохорова. — 1988, статья «Аномальный магнитный момент»
  2. ↑ Шаблон:Статья
  3. ↑ Шаблон:Cite press release
  4. ↑ Шаблон:Cite web
  5. ↑ Abi B et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm // Phys. Rev. Lett. 126 141801 (2021);
  6. ↑ Шаблон:Cite web
  7. ↑ Шаблон:Cite web
  8. ↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura, and P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
  9. ↑ Шаблон:Cite news
  10. ↑ Шаблон:Cite web
  11. ↑ Австралии, Австрии, Великобритании, Германии, Дании, Испании, Италии, Канады, Китая, Мексики, Польши, Португалии, России, Румынии, США, Франции, Швейцарии, Швеции, ЮАР, Японии.
  12. ↑ Шаблон:Cite web
  13. ↑ Шаблон:Cite web
  14. ↑ Шаблон:Cite web
Источник — http://wikihandbk.com/ruwiki/index.php?title=Русская_Википедия:Аномальный_магнитный_момент_мюона&oldid=8998798