Аномальний магнітний момент мюона

Матеріал з testwiki
Перейти до навігації Перейти до пошуку

Анома́льний магні́тний моме́нт мюо́на — відхилення величини магнітного моменту мюона від «нормального» значення, передбаченого квантовомеханічним релятивістським рівнянням руху мюона[1]. Позначається Шаблон:MathШаблон:Sfn.

Вступ

Ненульове значення аномального магнітного моменту (Шаблон:Math) є наслідком взаємодії частинки з віртуальними частинками — флуктуаціями квантових полів вакууму. Вимірюючи величину Шаблон:Math можна оцінити сумарний внесок усіх наявних полів (взаємодій), зокрема й тих, що виходять за межі Стандартної моделі (СМ).

Розмір аномального магнітного моменту електрона (Шаблон:Math) майже повністю визначається електромагнітними взаємодіями, тоді як у разі аномального магнітного моменту мюона (Шаблон:Math) домінування електромагнітного внеску дещо ослаблене. Значна маса мюона (він важчий від електрона майже в 207 разів) посилює внесок масивних полів, порівняно з Шаблон:Math, приблизно 43 000 разів (≈2072), що дозволяє «побачити» прояви полів за рамками КЕД — сильних, слабких і, можливо, інших, ще не відкритих, гіпотетичних взаємодій за межами СМ. Це спочатку зумовило великий інтерес до вимірювання Шаблон:Math, навіть із точністю, значно нижчою від точності вимірювань Шаблон:MathШаблон:Sfn.

Для пошуку Нової фізики шляхом дослідження аномальних магнітних моментів частинок теоретично було б привабливіше використовувати ще важчі, ніж електрони та мюони, тау-лептони, проте їх складніше виробляти, і вони дуже швидко розпадаються[2].

Інтерес науки викликає не сама експериментально отримана величина аномального магнітного моменту мюона (Шаблон:Math)Шаблон:Перехід, а її відмінність (ΔШаблон:Math) від розрахункового (теоретичного) значення (Шаблон:Math)Шаблон:Перехід в рамках СМ: Шаблон:Math.

НиніШаблон:Коли? точність розрахунку Шаблон:Math в рамках СМ досягла 0,3-0,4 ppm. Результат вимірювання Шаблон:Math в експерименті E821Шаблон:Перехід та його передбачення в рамках СМШаблон:Перехід відрізняються на 3,5-4 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 експериментуШаблон:Sfn, що потребує подальшої перевірки.

Історія

Вивчення магнітних моментів елементарних частинок почалося з досліду Штерна — Герлаха 1921 рокуШаблон:Sfn.

1947 року, в ході вимірювань надтонкої структури атомних переходів, встановлено, що розщеплення рівнів трохи перевищує передбачене значення, що може вказувати на те, що гіромагнітне відношення електрона Шаблон:Math дещо відрізняється від 2. Вимірювання показали, що аномальний магнітний момент (безрозмірнісна величина) електрона дорівнює Шаблон:MathШаблон:Sfn.

Швінгер першим установив (1948—1949), що відмінність Шаблон:Math від 2 обумовлена радіаційними поправками, і обчислив аномальний магнітний момент електрона в першому порядку теорії збурень: Шаблон:Math, що блискуче збігся з результатами вимірювань (у сукупності з обчисленням лембівського зсуву 1947 року це стало тріумфом квантової електродинаміки)Шаблон:Sfn.

У статті «Питання збереження парності у слабких взаємодіях» (1956) Лі та Янг вперше передбачили можливість вимірювання аномального магнітного моменту мюонаШаблон:SfnШаблон:Sfn.

Вперше гіромагнітне відношення мюона (Шаблон:Math) виміряно 1957 року на циклотроні Шаблон:Не перекладено (Ірвінгтон, США). Наявна точність вимірювання (Шаблон:Math) не дозволила зробити висновок про величину аномального магнітного моменту мюона, але вдалося встановити, що мюон є точковою частинкою (для складеної частинки Шаблон:Math може значно відрізнятися від 2), і підтвердилося незбереження парності при розпадах мюонів і піонівШаблон:Sfn.

Точніше вимірювання на циклотроні Nevis 1960 року (Шаблон:Math) майже з 10 % точністю підтвердило, що Шаблон:Math, де α — стала тонкої структури, тобто мюон є важким аналогом електронаШаблон:Sfn.

У 1960—1970-их роках у ЦЕРНі проведено кілька вимірювань Шаблон:Math з дедалі вищою точністюШаблон:Sfn:

  • Перший експеримент (CERN I) — досягнута відносна точність 0,4 %; підтверджено передбачення КЕД для Шаблон:Math з урахуванням внесків порядку α/π і (α/π)2.
  • Другий експеримент кінця 1960-х років (CERN II) — відносна точність 0,027 %; прогноз КЕД підтверджено до (α/π)3. Крім того, вперше аномальний магнітний момент мюона виміряно як для мюона (Шаблон:Math), так і для антимюона (Шаблон:Math).
  • Третя серія експериментів 1970-их років (CERN III) — відносна точність 0,00073 % (7,3 ppm) дала змогу «побачити» не тільки внесок КЕД, але й внесок сильних взаємодій із точністю ~10 %.

Наступним етапом став проведений наприкінці 1990-их — на початку 2000-х років у Брукгейвенській національній лабораторії (БНЛ) експеримент E821, точність якого в 14 разів перевищила точність експерименту CERN IIIШаблон:SfnШаблон:Перехід.

НиніШаблон:Коли? в 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[3]. Збір даних розпочато в березні 2018 року, закінчення очікується у вересні 2022 року[4]. 2021 року оголошено перші результати вимірювання g-фактора 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[5]. Ця аномалія є сильним свідченням існування п'ятої фундаментальної взаємодії[6]. У ході наступних сеансів експерименту статистична точність відхилення результатів від передбачень Стандартної моделі зростатиме і, ймовірно, скоро досягне планки, достатньої для офіційного відкриття Нової фізики[7].

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[8].

Таблиця

Експеримент Рік Полярність
мюонів 		Точність (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[9]
Muon g-2 2023 (2018—2023) + 0,00116592059(22) 0,19 Результати другого сеансу роботи[10]

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[11], 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 мюонаШаблон:Sfn:

Шаблон:MathμШаблон:Sup = 116591810(43)×10Шаблон:Sup.

2021 року в журналі Nature опубліковано статтю теоретичної групи, яка використовувала чисельний розрахунок на суперкомп'ютерах за допомогою методу квантової хромодинаміки на ґратці, що показав результат, ближчий до експериментального, ніж до консенсусного теоретичного значення 2020 року[12].

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[13] у Брукхейвенській національній лабораторії — в постійному зовнішньому магнітному полі вивчалася прецесія мюона і антимюона, що циркулювали в обмежувальному накопичувальному кільці. Згідно з отриманими даними, аномальна частина магнітного моменту мюона становить[14]

Шаблон:Math =g−22=0,00116592080(54)(33),

де (54) і (33) — розміри статистичної та систематичної похибок відповідно.

Аналіз статистики дозволив виміряти Шаблон:Math незалежно для Шаблон:Math і Шаблон:Math із точністю 0,7 ppm. Дані результати добре узгоджувалися між собою, підтверджуючи CPT-інваріантність. Шляхом об'єднання результатів для Шаблон:Math і Шаблон:Math отримано остаточний результат із точністю 0,54 ppmШаблон:Sfn.

Примітки

Шаблон:Примітки

Література

Шаблон:Квантова електродинаміка

  1. ↑ Физическая энциклопедия / под ред. А. М. Прохорова. — 1988, стаття «Аномальный магнитный момент»
  2. ↑ Шаблон:Стаття
  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. ↑ Австралії, Австрії, Великої Британії, Німеччини, Данії, Іспанії, Італії, Канади, Китаю, Мексики, Польщі, Португалії, Росії, Румунії, США, Франції, Швейцарії, Швеції, ПАР, Японії.
  12. ↑ Шаблон:Cite web
  13. ↑ Шаблон:Cite web
  14. ↑ Шаблон:Cite web
Отримано з https://uk.wiki.beta.math.wmflabs.org/w/index.php?title=Аномальний_магнітний_момент_мюона&oldid=10541