Перегляд вихідного коду сторінки Аномальний магнітний момент мюона

'''Анома́льний магні́тний моме́нт мюо́на'''&nbsp;— [[Аномальний магнітний момент|відхилення величини магнітного моменту]] [[мюон]]а від «нормального» значення, передбаченого [[Квантова механіка|квантовомеханічним]] [[Релятивістська механіка|релятивістським]] [[Рівняння руху|рівнянням руху]] мюона<ref name="Прохоров">[[Фізична енциклопедія|Физическая энциклопедия]] / под ред. [[Прохоров Олександр Михайлович|А.&nbsp;М.&nbsp;Прохорова]].&nbsp;— 1988, стаття «Аномальный магнитный момент»</ref>. Позначається {{Math|''a''<sub>μ</sub>}}{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}.

== Вступ ==
Ненульове значення аномального магнітного моменту ({{Math|''a''}}) є наслідком взаємодії [[Елементарна частинка|частинки]] з [[Віртуальна частинка|віртуальними частинками]]&nbsp;— [[Квантова флуктуація|флуктуаціями]] [[Квантова теорія поля|квантових полів]] [[вакуум]]у. Вимірюючи величину {{Math|''a''}} можна оцінити сумарний внесок усіх наявних полів ([[Фундаментальні взаємодії|взаємодій]]), зокрема й тих, що [[Фізика за межами Стандартної моделі|виходять за межі]] [[Стандартна модель|Стандартної моделі]] (СМ).

Розмір аномального магнітного моменту [[електрон]]а ({{Math|''a''<sub>e</sub>}}) майже повністю визначається [[Електромагнітна взаємодія|електромагнітними взаємодіями]], тоді як у разі аномального магнітного моменту мюона ({{Math|''a''<sub>μ</sub>}}) домінування електромагнітного внеску дещо ослаблене. Значна маса мюона (він важчий від електрона майже в 207 разів) посилює внесок масивних полів, порівняно з {{Math|''a''<sub>e</sub>}}, приблизно 43&nbsp;000 разів (≈207<sup>2</sup>), що дозволяє «побачити» прояви полів за рамками [[Квантова електродинаміка|КЕД]]&nbsp;— [[Сильна взаємодія|сильних]], [[Слабка взаємодія|слабких]] і, можливо, інших, ще не відкритих, [[П'ята сила|гіпотетичних взаємодій]] за межами СМ. Це спочатку зумовило великий інтерес до вимірювання {{Math|''a''<sub>μ</sub>}}, навіть із точністю, значно нижчою від точності вимірювань {{Math|''a''<sub>e</sub>}}{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}.

Для пошуку [[Фізика за межами Стандартної моделі|Нової фізики]] шляхом дослідження аномальних магнітних моментів частинок теоретично було б привабливіше використовувати ще [[Покоління елементарних частинок|важчі]], ніж електрони та мюони, [[тау-лептон]]и, проте їх складніше виробляти, і вони дуже швидко розпадаються<ref>{{Стаття|author=Логашенко И. Б.|title=Измерение сечения процесса <math>e^+ e^- \to \pi^+ \pi^-</math> и аномального магнитного момента мюона|url=https://inp.nsk.su/images/seminary/logashenko.pdf|тип=Апробация докторской диссертации|place=|publisher=[[Інститут ядерної фізики імені Г. І. Будкера СВ РАН|ИЯФ СО РАН]]|date=2018|місяць=3|число=2|pages=1—92|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210619091015/https://inp.nsk.su/images/seminary/logashenko.pdf|archivedate=2021-06-19}}</ref>.

Інтерес науки викликає не сама експериментально отримана величина аномального магнітного моменту мюона ({{Math|''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup>}}){{Перехід|#Експериментальні дані}}, а її відмінність (<math>\Delta</math>{{Math|''a''<sub>μ</sub>}}) від розрахункового (теоретичного) значення ({{Math|''a''<sub>μ</sub><sup>SM</sup>}}){{Перехід|#Теорія}} в рамках [[Стандартна модель|СМ]]: {{Math|1=Δ''a''<sub>μ</sub> = ''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup> − ''a''<sub>μ</sub><sup>SM</sup>}}.

Нині{{Коли?}} точність розрахунку {{Math|''a''<sub>μ</sub>}} в рамках СМ досягла 0,3-0,4 [[Мільйонна частка|ppm]]. Результат вимірювання {{Math|''a''<sub>μ</sub>}} в експерименті E821{{Перехід|#Експериментальні дані}} та його передбачення в рамках СМ{{Перехід|#Теорія}} відрізняються на 3,5-4 [[Стандартне відхилення|стандартних відхилення (σ)]]. Виходячи зі складності експерименту та розрахунків, такий рівень відмінності поки що рано оцінювати як надійний факт прояву Нової фізики, проте цей результат викликав значний інтерес наукової спільноти і наразі є ''найбільш значущим спостереженням розбіжностей'' передбачень Стандартної моделі з результатами експерименту{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=542}}, що потребує подальшої перевірки.

== Історія ==
Вивчення [[Магнітний момент|магнітних моментів]] [[Елементарна частинка|елементарних частинок]] почалося з [[Дослід Штерна — Герлаха|досліду Штерна&nbsp;— Герлаха]] [[1921 у науці|1921]] року{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=540}}.

1947 року, в ході вимірювань [[Надтонка структура|надтонкої структури]] атомних переходів, встановлено, що розщеплення [[Енергетичний рівень|рівнів]] трохи перевищує передбачене значення, що може вказувати на те, що [[Гіромагнітне співвідношення|гіромагнітне відношення]] [[електрон]]а {{Math|''g''<sub>e</sub>}} дещо відрізняється від 2. Вимірювання показали, що аномальний магнітний момент ([[Безрозмірнісна фізична величина|безрозмірнісна величина]]) електрона дорівнює {{Math|1=''a''<sub>e</sub> = (1,15 ± 0,04){{e|−3}}}}{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=540—541}}.

[[Джуліан Швінгер|Швінгер]] першим установив (1948—1949), що відмінність {{Math|''g''<sub>e</sub>}} від 2 обумовлена радіаційними поправками, і обчислив аномальний магнітний момент електрона в першому порядку [[Теорія збурень|теорії збурень]]: {{Math|1=''a''<sub>e</sub> = 1,16{{e|−3}}}}, що блискуче збігся з результатами вимірювань (у сукупності з обчисленням [[Лембів зсув|лембівського зсуву]] 1947 року це стало тріумфом [[Квантова електродинаміка|квантової електродинаміки]]){{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}.

У статті «Питання збереження [[Парність (фізика)|парності]] у [[Слабка взаємодія|слабких взаємодіях]]<nowiki/>» (1956) [[Лі Цзундао|Лі]] та [[Чженьнін Янг|Янг]] вперше передбачили можливість вимірювання аномального магнітного моменту мюона{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}{{Sfn|Lee, Yang|1956|місце=|с=}}.

Вперше гіромагнітне відношення мюона ({{Math|''g''<sub>μ</sub>}}) виміряно 1957 року на [[циклотрон]]і {{Не перекладено|Невісська лабораторія|Невісської лабораторії|en|Nevis Laboratories}} ([[Ірвінгтон (Нью-Йорк)|Ірвінгтон]], [[Сполучені Штати Америки|США]]). Наявна точність вимірювання ({{Math|1=''g''<sub>μ</sub> = 2,00 ± 0,10}}) не дозволила зробити висновок про величину аномального магнітного моменту мюона, але вдалося встановити, що мюон є ''точковою'' частинкою (для [[Список частинок#Складені частинки|''складеної'' частинки]] {{Math|''g''<sub>μ</sub>}} може значно відрізнятися від 2), і підтвердилося [[Парність (фізика)|незбереження парності]] при розпадах мюонів і [[Піони|піонів]]{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}.

Точніше вимірювання на циклотроні Nevis 1960 року ({{Math|1=''g''<sub>μ</sub> = 2⋅(1,00122 ± 0,00008)}}) майже з 10&nbsp;% точністю підтвердило, що {{Math|''a''<sub>μ</sub> ≈ α/(2π)}}, де <math>\alpha</math>&nbsp;— [[стала тонкої структури]], тобто мюон є [[Покоління елементарних частинок|важким аналогом]] електрона{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=541}}.

У 1960—1970-их роках у [[CERN|ЦЕРНі]] проведено кілька вимірювань {{Math|''a''<sub>μ</sub>}} з дедалі вищою точністю{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=542}}:

* Перший експеримент (CERN I)&nbsp;— досягнута відносна точність 0,4&nbsp;%; підтверджено передбачення КЕД для {{Math|''a''<sub>μ</sub>}} з урахуванням внесків порядку <math>\alpha/\pi</math> і <math>(\alpha/\pi)^2</math>.
* Другий експеримент кінця 1960-х років (CERN II)&nbsp;— відносна точність 0,027&nbsp;%; прогноз КЕД підтверджено до <math>(\alpha/\pi)^3</math>. Крім того, вперше аномальний магнітний момент мюона виміряно як для мюона ({{Math|''μ''<sup>−</sup>}}), так і для [[Елементарна частинка|антимюона]] ({{Math|''μ''<sup>+</sup>}}).
* Третя серія експериментів 1970-их років (CERN III)&nbsp;— відносна точність 0,00073&nbsp;% (7,3 [[Мільйонна частка|ppm]]) дала змогу «побачити» не тільки внесок КЕД, але й внесок [[Сильна взаємодія|сильних взаємодій]] із точністю ~10&nbsp;%.

Наступним етапом став проведений наприкінці 1990-их&nbsp;— на початку 2000-х років у [[Брукгейвенська національна лабораторія|Брукгейвенській національній лабораторії]] (БНЛ) експеримент E821, точність якого в 14 разів перевищила точність експерименту CERN III{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=542}}{{Перехід|#Значення}}.

Нині{{Коли?}} в [[Національна прискорювальна лабораторія ім. Енріко Фермі|лабораторії ім. Енріко Фермі]] триває експеримент [[Muon g-2]] (E989) з використанням магніту експерименту E821, який, за задумом організаторів, має підвищити точність значення в 4 рази, до 0,14 ppm<ref>{{cite press release |url=http://www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2013/Muon-g-2-201305.html |title=Revolutionary muon experiment to begin with 3,200&nbsp;mile move of 50&nbsp;foot-wide particle storage ring |date=8 травня 2013 |publisher=Fermilab |access-date=2015-03-16 |df=dmy-all |archivedate=2015-03-16 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150316084355/http://fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2013/Muon-g-2-201305.html }}</ref>. Збір даних розпочато в березні 2018 року, закінчення очікується у вересні 2022 року<ref>{{Cite web|title=Текущее состояние эксперимента с мюоном g-2 в Фермилабе|url=https://indico.cern.ch/event/838862/contributions/3609622/attachments/2054740/3445104/FPCP-2020-muon_g-2_Experiment.pdf|accessdate=2020-09-28|website=indico.cern.ch|language=en|archivedate=2021-02-16|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210216093624/https://indico.cern.ch/event/838862/contributions/3609622/attachments/2054740/3445104/FPCP-2020-muon_g-2_Experiment.pdf}}</ref>. 2021 року оголошено перші результати вимірювання [[g-фактор]]а аномального магнітного моменту мюона, отримані в ході першого сеансу роботи експерименту Muon g-2, що мають статистично значущу розбіжність 3,3 стандартних відхилення з передбаченнями Стандартної моделі<ref>''Abi B et al.'' [[doi:10.1103/PhysRevLett.126.141801|Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm]] // [[Physical Review Letters|Phys. Rev. Lett]]. 126 141801 (2021);</ref>. Ця аномалія є сильним свідченням існування [[П'ята сила|п'ятої фундаментальної взаємодії]]<ref>{{Cite web|url=https://www.bbc.com/news/56643677|title=Архивированная копия|accessdate=2021-04-11|archivedate=2021-04-28|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210428123808/https://www.bbc.com/news/56643677}}</ref>. У ході наступних сеансів експерименту статистична точність відхилення результатів від передбачень Стандартної моделі зростатиме і, ймовірно, скоро досягне планки, достатньої для офіційного відкриття [[Фізика за межами Стандартної моделі|Нової фізики]]<ref>{{Cite web|url=https://nplus1.ru/news/2021/04/08/muon-g-2-first-results|title=Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона<!-- Заголовок добавлен ботом -->|accessdate=2021-04-12|archivedate=2021-04-12|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210412001318/https://nplus1.ru/news/2021/04/08/muon-g-2-first-results}}</ref>.

У майбутньому також планується провести ще точніший експеримент E34 з вимірювання аномального магнітного моменту мюона в [[J-PARC]], початок збору даних заплановано на 2024 рік<ref>G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura, and P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].</ref>.

==== Таблиця ====
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 90%"
!Експеримент
! Рік
! Полярність<br/>мюонів
!
! Точність ([[Мільйонна частка|ppm]])
! Примітки та посилання
|-
| CERN I
| 1961
|
| 0,001145(22)
| 4300
|
|-
| CERN II
| 1962-1968
|
| 0,00116616(31)
| 270
|
|-
| CERN III
| 1974-1976
|
| 0,001165910(11)
| 10
|
|-
| CERN III
| 1975-1976
|
| 0,001165936(12)
| 10
|
|-
| BNL (E821)
| 1997
|
| 0,001165925(15)
| 13
|
|-
| BNL (E821)
| 1998
|
| 0,0011659191(59)
| 5
|
|-
| BNL (E821)
| 1999
|
| 0,0011659202(15)
| 1,3
|
|-
| BNL (E821)
| 2000
|
| 0,0011659204(9)
| 0,73
|
|-
| BNL (E821)
| 2001
|
| 0,0011659214(9)
| 0,72
|
|-
| Muon g-2
| 2021 (2018—2021)
|
| 0,00116592061(41)
| 0,35
| Результати першого сеансу роботи<ref name="FL-20210407">{{Cite news|last=Marc|first=Tracy|title=First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics|url=https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/|date=2021-04-07|work=[[Fermilab]]|accessdate=2021-04-07|archivedate=2021-04-07|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210407165822/https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/}}</ref>
|-
| Muon g-2
| 2023 (2018—2023)
| <sup>+</sup>
| 0,00116592059(22)
| 0,19
| Результати другого сеансу роботи<ref>{{Cite web|url=https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf|title=Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm|language=en|last=The Muon g − 2 Collaboration|date=10 серпня 2023)}}</ref>
|-
|}

== Значення ==

==== Теорія ====
У червні 2020 року міжнародна група «''Ініціатива з теорії мюона g-2» (Muon g-2 Theory'' Initiative) у складі понад 130 вчених з 20 країн<ref>Австралії, Австрії, Великої Британії, Німеччини, Данії, Іспанії, Італії, Канади, Китаю, Мексики, Польщі, Португалії, Росії, Румунії, США, Франції, Швейцарії, Швеції, ПАР, Японії.</ref>, що представляють близько 80 дослідницьких установ, опублікувала статтю «Аномальний магнітний момент мюона в Стандартній моделі», в якій повідомила найточніше станом на 2021 рік розрахункове (теоретичне) значення аномального магнітного моменту мюона{{Sfn|The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|2020|місце=|с=}}:

: {{Math|''a''}}μ{{Sup|SM}} = 116591810(43)×10{{Sup|−11}}.

2021 року в журналі ''[[Nature]]'' опубліковано статтю теоретичної групи, яка використовувала [[Чисельне моделювання|чисельний розрахунок]] на суперкомп'ютерах за допомогою методу [[Квантова хромодинаміка|квантової хромодинаміки]] на ґратці, що показав результат, ближчий до експериментального, ніж до консенсусного теоретичного значення 2020 року<ref>{{Cite web|url=https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433800/Novye_rezultaty_obostryayut_i_zaputyvayut_zagadku_anomalnogo_magnitnogo_momenta_myuona|title=Новые результаты обостряют и запутывают загадку аномального магнитного момента мюона|accessdate=2021-04-25|archivedate=2021-04-20|archiveurl=https://web.archive.org/web/20210420023925/https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433800/Novye_rezultaty_obostryayut_i_zaputyvayut_zagadku_anomalnogo_magnitnogo_momenta_myuona}}</ref>.

==== Експериментальні дані ====
Найточнішим (до публікації ще точніших результатів експерименту [[Muon g-2а]], які можна подивитися в таблиці вище) було вимірювання аномального магнітного моменту мюона, отримане 2006 року в ході експерименту E821<ref>{{Cite web|url=http://www.g-2.bnl.gov/|title=The Muon g-2 Experiment Home Page|publisher=G-2.bnl.gov|date=2004-01-08|accessdate=2012-01-06|archivedate=2018-05-19|archiveurl=https://web.archive.org/web/20180519004041/https://www.g-2.bnl.gov/}}</ref> у [[Брукгейвенська національна лабораторія|Брукхейвенській національній лабораторії]]&nbsp;— в постійному зовнішньому магнітному полі вивчалася [[Ларморова частота|прецесія]] мюона і антимюона, що циркулювали в обмежувальному накопичувальному кільці. Згідно з отриманими даними, аномальна частина магнітного моменту мюона становить<ref>{{Cite web|url=http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/g-2_s004219.pdf|title=(from the July 2007 review by Particle Data Group)|accessdate=2012-01-06|archivedate=2011-12-12|archiveurl=https://web.archive.org/web/20111212133727/http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/g-2_s004219.pdf}}</ref>

: {{Math|''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup>}}&nbsp;<math>= \frac{g-2}{2} = 0{,}00116592080(54)(33),</math>

де (54) і (33)&nbsp;— розміри статистичної та систематичної [[Похибка вимірювання|похибок]] відповідно.

Аналіз статистики дозволив виміряти {{Math|''a''<sub>μ</sub>}} незалежно для {{Math|''μ''<sup>−</sup>}} і {{Math|''μ''<sup>+</sup>}} із точністю 0,7 ppm. Дані результати добре узгоджувалися між собою, підтверджуючи [[CPT-інваріантність]]. Шляхом об'єднання результатів для {{Math|''μ''<sup>−</sup>}} і {{Math|''μ''<sup>+</sup>}} отримано остаточний результат із точністю 0,54 ppm{{Sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|місце=|с=542}}.

== Примітки ==
{{примітки|2}}

== Література ==
* {{Стаття|author=Логашенко И. Б., Эйдельман С. И.|title=Аномальный магнитный момент мюона|оригінал=|url=https://ufn.ru/ru/articles/2018/5/f/|language=|відповідальний=|автор видання=|видання=[[Успехи физических наук]]|тип=журнал|place={{М.}}|publisher=[[Фізичний інститут імені П. М. Лебедєва РАН|Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН]]|date=2018|місяць=5|число=|том=188|issue=|номер=5|pages=540—573|isbn=|issn=0042-1294|doi=10.3367/UFNr.2018.02.038312|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=Логашенко, Эйдельман|archiveurl=|archivedate=}}
* {{Стаття|author=Lee T. D., Yang C. N.|title=Question of Parity Conservation in Weak Interactions|оригінал=|url=https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.104.254|language=en|відповідальний=|автор видання=|видання=[[Physical Review]]|тип=журнал|place=|publisher=[[Американське фізичне товариство]]|date=1956|місяць=10|число=1|том=104 (254)|issue=|номер=1|pages=254—258|isbn=|issn=|doi=10.1103/PhysRev.104.254|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=Lee, Yang|archiveurl=|archivedate=}}
* {{Стаття|author=|title=The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|оригінал=|url=https://arxiv.org/abs/2006.04822|language=en|відповідальний=|автор видання=|видання={{iw|Physics Reports}}|тип=журнал|place=|publisher=[[Elsevier]]|date=2020|місяць=12|число=3|том=887|issue=|номер=|pages=1—166|isbn=|issn=|doi=10.1016/j.physrep.2020.07.006|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|archiveurl=|archivedate=}}
* [[arxiv:1811.06974v1|The History of the Muon (g−2) Experiments]]
* [[arxiv:hep-ex/0602035v1|Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL]]
* [[arxiv:hep-ex/0401008v3|Measurement of the Negative Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.7 ppm]]
{{Квантова електродинаміка}}
[[Категорія:Нерозв'язані проблеми фізики]]
[[Категорія:Фізика за межами Стандартної моделі]]
[[Категорія:Магнетизм]]
[[Категорія:Квантова електродинаміка]]
[[Категорія:Елементарні частинки]]