Anomalt magnetiskt ögonblick av myonen

Myonens anomala magnetiska moment är avvikelsen mellan myonens magnetiska moment från det "normala" värdet som förutsägs av den kvantmekaniska relativistiska ekvationen för myonrörelse [1] . Betecknas μ [ 2] .

Inledning

Värdet som inte är noll för det anomala magnetiska momentet ( a ) är en konsekvens av interaktionen mellan en partikel och virtuella partiklar - fluktuationer i vakuumkvantfälten . Genom att mäta värdet av a kan man uppskatta det totala bidraget från alla befintliga fält ( interaktioner ), inklusive de som går utanför gränserna för standardmodellen (SM).

Storleken på det avvikande magnetiska momentet hos elektronen ( a e ) bestäms nästan helt av elektromagnetiska interaktioner , medan i fallet med myonens avvikande magnetiska moment ( a μ ) är dominansen av det elektromagnetiska bidraget något försvagad. Myonens betydande massa (nästan 207 gånger tyngre än elektronen) ökar bidraget från massiva fält jämfört med ≈207(gånger43 000cirkamedeett hypotetiska interaktioner utanför SM. Detta ledde till en början till ett stort intresse för mätningarna av en μ , även med en noggrannhet som var betydligt sämre än noggrannheten för mätningar av en e [2] .

För att söka efter Ny Fysik genom att studera de onormala magnetiska momenten hos partiklar, skulle det teoretiskt sett vara mer attraktivt att använda tau-leptoner , till och med tyngre än elektroner och myoner, men de är svårare att producera, och de sönderfaller för snabbt [3] .

Vetenskapens intresse är inte det experimentellt erhållna värdet av det anomala magnetiska muonmomentet ( a μ exp ) , utan dess skillnad ( a μ ) från det beräknade (teoretiska) värdet ( a μ SM ) inom SM ( SM ): a μ a μ exp a μ SM .

För närvarande har noggrannheten för att beräkna en μ inom ramen för SM nått 0,3–0,4 ppm . Mellan resultatet av att mäta en μ i E821-experimentet och dess förutsägelse inom SM finns en skillnad på 3,5-4 standardavvikelser (σ) . Baserat på experimentets och beräkningarnas komplexitet är det för tidigt att bedöma denna skillnadsnivå som ett tillförlitligt faktum för manifestationen av Ny Fysik, men detta resultat väckte stort intresse i det vetenskapliga samfundet och är för närvarande den mest betydande observationen av diskrepansen mellan standardmodellens förutsägelser och experimentresultaten [4] , som kräver ytterligare verifiering .

Historik

Studiet av elementarpartiklars magnetiska moment började med Stern-Gerlachs experiment 1921 [ 5] .

1947, under loppet av mätningar av den hyperfina strukturen av atomövergångar, fann man att uppdelningen av nivåer något överstiger det förutsagda värdet, vilket kan tyda på att det gyromagnetiska förhållandet för elektronen ge är något annorlunda än 2. Mätningarna visade att det anomala magnetiska momentet (som är dimensionslöst värde ) för en elektron är: a e =(1,15±0,04) 10 -3 [6] .

Schwinger var den första som fastställde (1948-1949) att skillnaden mellan ge och 2 beror på strålningskorrigeringar och beräknade elektronens anomala magnetiska moment i den första ordningen av störningsteorin : a e =1,16 10 -3 , vilket sammanföll briljant med mätresultaten (tillsammans med Lamb shift 1947 var detta en triumf för kvantelektrodynamiken ) [2] .

I artikeln "The Question of Parity Conservation in Weak Interactions " (1956) förutspådde Lee och Yang först möjligheten att mäta myonens anomala magnetiska moment [2] [7] .

Den första mätningen av myonens gyromagnetiska förhållande ( g μ ) utfördes 1957 vid cyklotronen vid Nevis Laboratory ( Ervington , USA ). Den tillgängliga mätnoggrannheten ( g μ =2,00±0,10) tillät oss inte att dra slutsatser om storleken på myonens anomala magnetiska moment, men det var möjligt att fastställa att myonen är en punktpartikel (för en sammansatt partikel, g μ kan skilja sig avsevärt från 2), och det bekräftades paritetsickekonservering i sönderfallet av myoner och pioner [2] .

En mer exakt mätning vid Nevis-cyklotronen från 1960 ( g μ =2(1,00122±0,00008)) bekräftade med nästan 10 % noggrannhet att en μ , där är finstrukturkonstanten , det vill säga, myonen är en tung analog till elektronen [ 2] .

På 1960- och 1970 -talen utfördes flera mätningar av en μ vid CERN med ökande noggrannhet [4] :

Nästa steg var E821-experimentet, utfört i slutet av 1990-talet och början av 2000-talet av Brookhaven National Laboratory (BNL), vars noggrannhet var 14 gånger högre än CERN III-experimentet [4] .

För närvarande på laboratoriet Enrico Fermi experimenterar med Muon g−2 (E989) med hjälp av magneten från experiment E821, som enligt arrangörernas plan ska öka värdets noggrannhet med 4 gånger, upp till 0,14 ppm [8] . Datainsamlingen påbörjades i mars 2018 och förväntas avslutas i september 2022 [9] . År 2021 tillkännagav Fermilab de första mätresultaten av g-faktorn för myonens anomala magnetiska moment, erhållna under den första sessionen av Muon g−2-experimentet, som har en statistiskt signifikant avvikelse mellan standardavvikelsen och förutsägelserna av standardmodellen [10] . Denna anomali är starka bevis för existensen av en femte fundamental interaktion [11] . Under experimentets nästa sessioner kommer den statistiska noggrannheten för avvikelsen av resultaten från standardmodellens förutsägelser att öka och kommer, mycket troligt, snart att nå den nivå som är tillräcklig för den officiella upptäckten av New Physics [12] .

I framtiden är det också planerat att genomföra ett ännu mer exakt experiment för att mäta det avvikande magnetiska momentet för E34-myonen vid J-PARC , start av datainsamling är planerad till 2024 [13] .

Tabell
Experimentera År Muon polaritet en μ Noggrannhet ( ppm ) Anteckningar och länkar
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) tio
CERN III 1975-1976 μ- _ 0,0011659360(120) tio
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 – nu i. µ + 0,00116592061(41) 0,35 Resultat av den första arbetssessionen [14]

Betydelse

Teori

I juni 2020 publicerade den internationella gruppen Muon g−2 Theory Initiative , bestående av mer än 130 forskare från 20 länder [15] , representerande ett 80-tal forskningsinstitutioner, artikeln "Anomalous magnetic moment of the muon in the Standard model", i vilket hon rapporterade det mest exakta hittills (2021) beräknade (teoretiska) värdet av myonens anomala magnetiska moment [16] :

a μSM = 116591810 (43)×10 −11 .

År 2021 publicerade Nature ett papper av en teoretisk grupp som använder superdatorns numeriska beräkningar med hjälp av gitterkvantkromodynamik , som visar ett resultat som ligger närmare det experimentella än det teoretiska konsensusvärdet 2020 [17] .

Experimentella data

Den mest exakta ( före publiceringen av de nya resultaten av Fermilab 2021, som är ännu mer exakta ) var mätningen av myonens anomala magnetiska moment, som erhölls under experimentet E821 [18] , utfört av Brookhaven National Laboratory 2006 - i ett konstant externt magnetfält studerades precessionen av myon och antimuon, som cirkulerade i den begränsande lagringsringen. Enligt de erhållna uppgifterna är den anomala delen av det magnetiska muonmomentet [19] :

a μ exp , där (54) och (33) är storleken på statistiska respektive systematiska fel .

Analys av statistik gjorde det möjligt att mäta en μ oberoende för μ - och μ + med en noggrannhet på 0,7 ppm. Dessa resultat stämde väl överens med varandra, vilket bekräftar CPT-invariansen . Genom att kombinera resultaten för μ - och μ + erhölls det slutliga resultatet med en noggrannhet på 0,54 ppm [4] .

Anteckningar

  1. ↑ Fysisk uppslagsverk » / ed. A. M. Prokhorova . - 1988, artikel "Anomalous magnetic moment"
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Logasjenko, Eidelman, 2018 , sid. 541.
  3. ↑ Logashenko I. B. Mätning av processens tvärsnitt + - + - och myonens anomala magnetiska moment  : Godkännande av en doktorsavhandling. - INP SB RAS , 2018. - 2 mars. - S. 1-92 .
  4. ↑ 1 2 3 4 Logasjenko, Eidelman, 2018 , sid. 542.
  5. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , sid. 540.
  6. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , sid. 540-541.
  7. ↑ Lee, Yang, 1956 .
  8. ↑ Fermilab (8 maj 2013). Revolutionerande myonexperiment till att börja med 3 200 mils förflyttning av 50 fot bred partikellagringsring . Pressmeddelande . Arkiverad från originalet den 16 mars 2015. Hämtad 2021-02-13 .
  9. ↑ Nuvarande tillstånd för g-2-myonexperimentet vid Fermilab  . indico.cern.ch . Hämtad 28 september 2020. Arkiverad från originalet 16 februari 2021.
  10. ↑ Abi B et al. Mätning av det positiva muon anomala magnetiska momentet till 0,46 ppm // Phys. Varv. Lett . 126 141801 (2021);
  11. ↑ Arkiverad kopia . Hämtad 11 april 2021. Arkiverad från originalet 28 april 2021.
  12. ↑ Muon g-2-experimentet såg avvikelser från standardmodellen i mätningar av myonens magnetiska moment . Hämtad 12 april 2021. Arkiverad från originalet 12 april 2021.
  13. ↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura och P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
  14. ↑ Marc, Tracy . De första resultaten från Fermilabs Muon g-2-experiment stärker bevis på ny fysik , Fermilab  (7 april 2021). Arkiverad från originalet den 7 april 2021. Hämtad 7 april 2021.
  15. ↑ Australien, Österrike, Storbritannien, Tyskland, Danmark, Spanien, Italien, Kanada, Kina, Mexiko, Polen, Portugal, Ryssland, Rumänien, USA, Frankrike, Schweiz, Sverige, Sydafrika, Japan.
  16. ↑ Myonens anomala magnetiska moment i standardmodellen, 2020 .
  17. ↑ Nya resultat skärper och förvirrar mysteriet med myonens anomala magnetiska ögonblick . Hämtad 25 april 2021. Arkiverad från originalet 20 april 2021.
  18. ↑ Hemsidan för Muon g-2-experimentet . G-2.bnl.gov (8 januari 2004). Hämtad 6 januari 2012. Arkiverad från originalet 19 maj 2018.
  19. ↑ (från juli 2007 granskning av Particle Data Group) . Tillträdesdatum: 6 januari 2012. Arkiverad från originalet den 12 december 2011.

Litteratur