Аномальный магнитный дипольный момент

Квантово-теоретико-полевые различия магнитных свойств по сравнению с ожидаемыми от классических теорий

В квантовой электродинамике аномальный магнитный момент частицы представляет собой вклад эффектов квантовой механики , выраженный диаграммами Фейнмана с петлями, в магнитный момент этой частицы. Магнитный момент , также называемый магнитным дипольным моментом , является мерой силы магнитного источника.

Магнитный момент «Дирака» , соответствующий древовидным диаграммам Фейнмана (который можно рассматривать как классический результат), можно рассчитать из уравнения Дирака . Обычно его выражают через g -фактор ; уравнение Дирака предсказывает . Для таких частиц, как электрон , этот классический результат отличается от наблюдаемого значения на небольшую долю процента. Разница заключается в аномальном магнитном моменте, обозначаемом и определяемом как ${\displaystyle g=2}$ ${\displaystyle a}$

$${\displaystyle a={\frac {g-2}{2}}}$$

Электрон

Однопетлевая поправка к магнитному дипольному моменту фермиона .

Однопетлевой вклад в аномальный магнитный момент, соответствующий первой и наибольшей квантово-механической поправке, электрона находится путем расчета вершинной функции, показанной на диаграмме рядом. Расчет относительно прост  ^[1] , и одноконтурный результат таков:

$${\displaystyle a_{\text{e}}={\frac {\alpha }{2\pi }}\approx 0.001\,161\,4,}$$

константа тонкой структурыДжулианом Швингером^[2]его надгробии^{[3][4] [5] [6]} ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha ^{3}}$ ${\displaystyle \alpha ^{5}}$

$${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,181\,643(764)}$$

Предсказание КЭД согласуется с экспериментально измеренным значением более чем на 10 значащих цифр, что делает магнитный момент электрона наиболее точно проверенным предсказанием в истории физики . ( Подробнее см. в разделе Прецизионные испытания QED .)

Текущие экспериментальные значения и неопределенность составляют: ^[7]

$${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,180\,59(13)}$$

¹⁰¹³ ${\displaystyle a_{\text{e}}}$ ${\displaystyle g}$

Мюон

Предлагаемые минимальные однопетлевые поправки суперсимметричной стандартной модели к мюону g -2 с участием частиц, выходящих за рамки стандартной модели: нейтралино и смюона , а также чаргино и мюонного нейтрино соответственно.

Аномальный магнитный момент мюона рассчитывается аналогично электрону. Прогноз значения аномального магнитного момента мюона включает три части: ^[8]

$${\displaystyle {\begin{aligned}a_{\mu }^{\mathrm {SM} }&=a_{\mu }^{\mathrm {QED} }+a_{\mu }^{\mathrm {EW} }+a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }\\&=0.001\,165\,918\,04(51)\end{aligned}}}$$

Из первых двух компонентов представляет собой фотонные и лептонные петли, а также петли W-бозона, бозона Хиггса и Z-бозона; оба могут быть точно рассчитаны на основе первых принципов. Третий член представляет собой адронные петли; его невозможно точно рассчитать только на основе теории. Оно оценивается на основе экспериментальных измерений отношения адронного и мюонного сечений ( R ) в электрон - антиэлектронных (e ⁻ –e ⁺ ) столкновениях. По состоянию на июль 2017 года результаты измерений расходятся со Стандартной моделью на 3,5  стандартных отклонения ^[9] , что позволяет предположить, что влияние физики выходит за рамки Стандартной модели (или что теоретические/экспериментальные ошибки не полностью находятся под контролем). Это одно из давних расхождений между Стандартной моделью и экспериментом. ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {QED} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {EW} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }}$

Эксперимент E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) изучал прецессию мюона и антимюона в постоянном внешнем магнитном поле, когда они циркулировали в удерживающем кольце. ^[10] Эксперимент E821 показал следующее среднее значение ^[8]

$${\displaystyle a_{\mu }=0.001\;165\;920\;9(6).}$$

Новый эксперимент в Фермилабе под названием « Мюон g -2 » с использованием магнита E821 улучшит точность этого значения. ^[11] Сбор данных начался в марте 2018 года и, как ожидается, завершится в сентябре 2022 года. ^[12] Промежуточный результат, опубликованный 7 апреля 2021 года [ ^13] , дает более точную оценку , превышающую стандарт. Прогноз модели по 4,2 стандартным отклонениям. Кроме того, эксперимент E34 в J-PARC планирует начать в 2024 году. ^[14] ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,40(54)}$ ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,61(41)}$

В апреле 2021 года международная группа из четырнадцати физиков сообщила, что с помощью ab initio квантовой хромодинамики и квантового электродинамического моделирования им удалось получить теоретическое приближение, которое больше согласуется с экспериментальным значением, чем с предыдущим теоретическим значением, основанным на эксперименты по электрон-позитронной аннигиляции. ^[15]

Тау

Прогноз Стандартной модели для аномального магнитного дипольного момента тау: [ ^16]

$${\displaystyle a_{\tau }=0.001\,177\,21(5),}$$

^17] ${\displaystyle a_{\tau }}$

$${\displaystyle -0.052<a_{\tau }<+0.013.}$$

Композитные частицы

Композитные частицы часто обладают огромным аномальным магнитным моментом. Примерами могут служить нуклоны , протоны и нейтроны , состоящие из кварков . Магнитные моменты нуклонов велики и оказались неожиданными; Магнитный момент протона слишком велик для элементарной частицы, в то время как ожидалось, что магнитный момент нейтрона будет равен нулю, поскольку его заряд равен нулю.

Смотрите также

• Аномальный электрический дипольный момент
• Магнитный момент электрона
• G-фактор (физика) (безразмерный магнитный момент)
• Разложение Гордона

Рекомендации

1. Пескин, Мэн; Шредер, Д.В. (1995). «Раздел 6.3». Введение в квантовую теорию поля . Аддисон-Уэсли . ISBN 978-0-201-50397-5.
2. Швингер, Дж. (1948). «О квантовой электродинамике и магнитном моменте электрона» (PDF) . Физический обзор . 73 (4): 416–417. Бибкод : 1948PhRv...73..416S. дои : 10.1103/PhysRev.73.416 .
3. Лапорта, С.; Ремидди, Э. (1996). «Аналитическое значение электрона ( g − 2 ) порядка α ³ в КЭД». Буквы по физике Б. 379 (1–4): 283–291. arXiv : hep-ph/9602417 . Бибкод : 1996PhLB..379..283L. дои : 10.1016/0370-2693(96)00439-X.
4. Аояма, Т.; Хаякава, М.; Киношита, Т.; Нио, М. (2012). «Вклад КЭД десятого порядка в электрон g -2 и улучшенное значение постоянной тонкой структуры». Письма о физических отзывах . 109 (11): 111807. arXiv : 1205.5368 . Бибкод : 2012PhRvL.109k1807A. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.111807. PMID  23005618. S2CID  14712017.
5. Аояма, Тацуми; Хаякава, Масаси; Киносита, Тоитиро; Нио, Макико (1 февраля 2015 г.). «Аномальный магнитный момент электрона десятого порядка - вклад диаграмм без замкнутых лептонных петель». Физический обзор D . 91 (3): 033006. arXiv : 1412.8284 . Бибкод : 2015PhRvD..91c3006A. doi :10.1103/PhysRevD.91.033006. S2CID  119024825.
6. Нио, Макико (3 февраля 2015 г.). Вклад десятого порядка КЭД в аномальный магнитный момент электрона и новое значение постоянной тонкой структуры (PDF) . Встреча фундаментальных констант 2015. Эльтвилл, Германия.
7. Фан, X.; Майерс, Т.Г.; Шукра, ПЛОХО; Габриэльс, Г. (13 февраля 2023 г.). «Измерение магнитного момента электрона». Письма о физических отзывах . 130 (7): 071801. arXiv : 2209.13084 . doi :10.1103/PhysRevLett.130.071801. PMID  36867820. S2CID  123962197.
8. Патриньяни, К.; Агаше, К. (2016). «Обзор физики элементарных частиц» (PDF) . Китайская физика C . Издательство ИОП. 40 (10): 100001. Бибкод : 2016ЧФК..40j0001П. дои : 10.1088/1674-1137/40/10/100001. ISSN  1674-1137. S2CID  125766528.
9. Джусти, Д.; Любич, В.; Мартинелли, Дж.; Санфлиппо, Ф.; Симула, С. (2017). «Странный и очаровательный вклад HVP в мюон (g - 2), включая поправки КЭД с фермионами с закрученной массой». Журнал физики высоких энергий . 2017 (10): 157. arXiv : 1707.03019 . Бибкод : 2017JHEP...10..157G. дои : 10.1007/JHEP10(2017)157 .
10. "Домашняя страница мюона E821 (g-2)" . Брукхейвенская национальная лаборатория . Проверено 1 июля 2014 г.
11. «Революционный мюонный эксперимент начнется с перемещения кольца хранения частиц шириной 50 футов на 3200 миль» (пресс-релиз). Фермилаб. 8 мая 2013 года . Проверено 16 марта 2015 г.
12. «Текущий статус эксперимента с мюоном g-2 в Фермилабе» (PDF) . indico.cern.ch . Проверено 28 сентября 2020 г.
13. Аби, Б.; и другие. (апрель 2021 г.). «Измерение аномального магнитного момента положительного мюона до 0,46 частей на миллион». Письма о физических отзывах . 126 (14): 141801. arXiv : 2104.03281 . Бибкод : 2021PhRvL.126n1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.126.141801 . ПМИД  33891447.
14. Г. Коланджело, М. Хоферихтер, М. Прокура и П. Стоффер, JHEP 04, 161 (2017), arXiv: 1702.07347 [hep-ph].
15. Боршани, Сабольч; и другие. (7 апреля 2021 г.). «Ведущий адронный вклад в магнитный момент мюона из решеточной КХД». Природа . 593 (7857): 51–55. arXiv : 2002.12347 . Бибкод : 2021Natur.593...51B. дои : 10.1038/s41586-021-03418-1. PMID  33828303. S2CID  221151004.
16. Эйдельман, С.; Пассера, М. (30 января 2007 г.). «ТЕОРИЯ АНОМАЛЬНОГО МАГНИТНОГО МОМЕНТА τ-ЛЕПТОНА». Буквы по современной физике А. 22 (3): 159–179. arXiv : hep-ph/0701260 . Бибкод : 2007MPLA...22..159E. дои : 10.1142/S0217732307022694. ISSN  0217-7323. S2CID  18000680.
17. Сотрудничество DELPHI (июнь 2004 г.). «Исследование образования тау-пар в фотон-фотонных столкновениях на LEP и ограничения на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона». Европейский физический журнал C . 35 (2): 159–170. arXiv : hep-ex/0406010 . Бибкод : 2004EPJC...35..159D. doi : 10.1140/epjc/s2004-01852-y. ISSN  1434-6044. S2CID  195317696.

Библиография

• Сергей Вонсовский (1975). Магнетизм элементарных частиц. Издательство «Мир».

Внешние ссылки

• Обзор эксперимента g-2
• Куш, П.; Фоли, HM (1948). «Магнитный момент электрона». Физический обзор . 74 (3): 250–263. Бибкод : 1948PhRv...74..250K. doi : 10.1103/PhysRev.74.250.
• Аояма, Т.; и другие. (2020). «Аномальный магнитный момент мюона в Стандартной модели». Отчеты по физике . 887 : 1–166. arXiv : 2006.04822 . Бибкод : 2020PhR...887....1A. doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .