Аномальный магнитный дипольный момент

Квантовые полевые различия магнитных свойств по сравнению с ожидаемыми из классических теорий

В квантовой электродинамике аномальный магнитный момент частицы — это вклад эффектов квантовой механики , выраженных 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 диаграммам Фейнмана на уровне дерева (которые можно рассматривать как классический результат), может быть вычислен из уравнения Дирака . Обычно он выражается через g -фактор ; уравнение Дирака предсказывает . Для таких частиц, как электрон , этот классический результат отличается от наблюдаемого значения на малую долю процента. Разница представляет собой аномальный магнитный момент, обозначаемый и определяемый 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 вычисления вершинной функции, показанной на соседней диаграмме. Расчет относительно прост  ^[1] , а однопетлевой результат равен: где — постоянная тонкой структуры . Этот результат был впервые найден Джулианом Швингером в 1948 году  ^[2] и выгравирован на его надгробии . По состоянию на 2016 год коэффициенты формулы КЭД для аномального магнитного момента электрона известны аналитически до ^[3] и были рассчитаны до порядка : ^{[4] [5] [6]} $${\displaystyle a_{\text{e}}={\frac {\alpha }{2\pi }}\approx 0.001\,161\,4,}$$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha ^{3}}$  ${\displaystyle \alpha ^{5}}$ $${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,181\,643(764)}$$

Предсказание КЭД согласуется с экспериментально измеренным значением более чем до 10 значащих цифр, что делает магнитный момент электрона одним из наиболее точно проверенных предсказаний в истории физики . ( Подробности см. в разделе Тесты точности КЭД .)

Текущее экспериментальное значение и неопределенность таковы: ^[7] Согласно этому значению, известно с точностью около 1 части на 10 миллиардов (10 ¹⁰ ). Это потребовало измерения с точностью около 1 части на 10 триллионов (10 ¹³ ). $${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,180\,59(13)}$$ ${\displaystyle a_{\text{e}}}$ ${\displaystyle g}$

Мюон

Предложены минимальные суперсимметричные однопетлевые поправки Стандартной модели к мюону g −2 с участием частиц за пределами стандартной модели: нейтралино и смюон , а также чарджино и мюонное снейтрино соответственно.

Аномальный магнитный момент мюона рассчитывается аналогично электрону. Прогнозирование 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 фотонную и лептонную петли, а также петли W-бозона, бозона Хиггса и Z-бозона; обе могут быть точно рассчитаны из первых принципов. Третий член, представляет собой адронные петли; его нельзя точно рассчитать только из теории. Он оценивается из экспериментальных измерений отношения адронных и мюонных сечений ( R ) в электрон - антиэлектроне ( ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {QED} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {EW} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }}$
е⁻
–
е⁺
) столкновений. По состоянию на июль 2017 года измерение расходится со Стандартной моделью на 3,5  стандартных отклонения ^[9] , что позволяет предположить, что физика за пределами Стандартной модели может оказывать влияние (или что теоретические/экспериментальные ошибки не полностью контролируются). Это одно из давних несоответствий между Стандартной моделью и экспериментом.

Эксперимент E821 в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) изучал прецессию мюона и антимюона в постоянном внешнем магнитном поле, когда они циркулировали в ограничивающем накопительном кольце. ^[10] Эксперимент E821 дал следующее среднее значение ^[8] $${\displaystyle a_{\mu }=0.001\;165\;920\;9(6).}$$

В 2024 году коллаборация Fermilab « Muon g −2 » удвоила точность этого значения по сравнению с предыдущими измерениями группы из набора данных 2018 года. Данные для эксперимента были собраны во время запусков 2019–2020 годов. Независимое значение составило (0,21 ppm), что в сочетании с измерениями из Брукхейвенской национальной лаборатории дает мировое среднее значение (0,19 ppm). ^[11] ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,57(25)}$ ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,59(22)}$

В апреле 2021 года международная группа из четырнадцати физиков сообщила, что с помощью моделирования квантовой хромодинамики ab-initio и квантовой электродинамики им удалось получить теоретическое приближение, которое больше согласуется с экспериментальным значением, чем с предыдущим теоретическим значением, основанным на экспериментах по аннигиляции электронов и позитронов. ^[12]

Тау

Прогноз Стандартной модели для аномального магнитного дипольного момента тау составляет [ ^13], в то время как наилучшая измеренная граница составляет ^[14] $${\displaystyle a_{\tau }=0.001\,177\,21(5),}$$ ${\displaystyle a_{\tau }}$ $${\displaystyle -0.052<a_{\tau }<+0.013.}$$

Композитные частицы

Составные частицы часто имеют огромный аномальный магнитный момент. Примерами являются нуклоны , протоны и нейтроны , оба состоящие из кварков . Магнитные моменты нуклонов оба большие и были неожиданными; магнитный момент протона слишком велик для элементарной частицы, в то время как магнитный момент нейтрона , как ожидалось, должен был быть равен нулю из-за его заряда, равного нулю.

Смотрите также

• Аномальный электрический дипольный момент
• Магнитный момент электрона
• g -фактор (физика)
• Разложение Гордона

Ссылки

1. Пескин, ME; Шредер, DV (1995). "Раздел 6.3". Введение в квантовую теорию поля . Эддисон-Уэсли . ISBN 978-0-201-50397-5.
2. Швингер, Дж. (1948). «О квантовой электродинамике и магнитном моменте электрона» (PDF) . Physical Review . 73 (4): 416–417. Bibcode :1948PhRv...73..416S. doi : 10.1103/PhysRev.73.416 .
3. Laporta, S.; Remiddi, E. (1996). «Аналитическое значение электрона ( g − 2 ) при порядке α ³ в QED». Physics Letters B. 379 ( 1–4): 283–291. arXiv : hep-ph/9602417 . Bibcode : 1996PhLB..379..283L. doi : 10.1016/0370-2693(96)00439-X.
4. Аояма, Т.; Хаякава, М.; Киносита, Т.; Нио, М. (2012). «Вклад десятого порядка КЭД в электронный g −2 и улучшенное значение постоянной тонкой структуры». Physical Review Letters . 109 (11): 111807. arXiv : 1205.5368 . Bibcode :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 электронов десятого порядка – вклад диаграмм без замкнутых лептонных петель". Physical Review D. 91 ( 3): 033006. arXiv : 1412.8284 . Bibcode : 2015PhRvD..91c3006A. doi : 10.1103/PhysRevD.91.033006. S2CID  119024825.
6. Nio, Makiko (3 февраля 2015 г.). Вклад десятого порядка КЭД в аномальный магнитный момент электрона и новое значение постоянной тонкой структуры (PDF) . Fundamental Constants Meeting 2015. Eltville, Германия.
7. Fan, X.; Myers, TG; Sukra, BAD; Gabrielse, G. (13 февраля 2023 г.). «Измерение магнитного момента электрона». Physical Review Letters . 130 (7): 071801. arXiv : 2209.13084 . Bibcode : 2023PhRvL.130g1801F. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.071801. PMID  36867820. S2CID  123962197.
8. Patrignani, C.; Agashe, K. (2016). "Обзор физики элементарных частиц" (PDF) . Chinese Physics C. 40 ( 10). IOP Publishing: 100001. Bibcode : 2016ChPhC..40j0001P. doi : 10.1088/1674-1137/40/10/100001. ISSN  1674-1137. S2CID  125766528.
9. Giusti, D.; Lubicz, V.; Martinelli, G.; Sanflippo, F.; Simula, S. (2017). "Странные и очаровательные вклады HVP в мюон (g − 2), включая поправки QED с фермионами со скрученной массой". Journal of High Energy Physics . 2017 (10): 157. arXiv : 1707.03019 . Bibcode :2017JHEP...10..157G. doi : 10.1007/JHEP10(2017)157 .
10. "The E821 Muon (g−2) Home Page". Брукхейвенская национальная лаборатория . Получено 1 июля 2014 г.
11. "Подробный отчет об измерении аномального магнитного момента положительного мюона до 0,20 ppm". Physical Review D. Fermilab. 8 августа 2024 г. Получено 16 марта 2015 г.
12. Боршани, Сабольч и др. (7 апреля 2021 г.). «Ведущий адронный вклад в магнитный момент мюона из решеточной КХД». Nature . 593 (7857): 51–55. arXiv : 2002.12347 . Bibcode :2021Natur.593...51B. doi :10.1038/s41586-021-03418-1. PMID  33828303. S2CID  221151004.
13. Эйдельман, С.; Пассера, М. (30 января 2007 г.). «ТЕОРИЯ АНОМАЛЬНОГО МАГНИТНОГО МОМЕНТА τ-ЛЕПТОНА». Modern Physics Letters A . 22 (3): 159–179. arXiv : hep-ph/0701260 . Bibcode :2007MPLA...22..159E. doi :10.1142/S0217732307022694. ISSN  0217-7323. S2CID  18000680.
14. Сотрудничество DELPHI (июнь 2004 г.). «Изучение образования тау-пар при столкновениях фотонов и фотонов в LEP и ограничения на аномальные электромагнитные моменты тау-лептона». The European Physical Journal C . 35 (2): 159–170. arXiv : hep-ex/0406010 . Bibcode :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, Х. М. (1948). «Магнитный момент электрона». Physical Review . 74 (3): 250–263. Bibcode : 1948PhRv...74..250K. doi : 10.1103/PhysRev.74.250.
• Аояма, Т.; и др. (2020). «Аномальный магнитный момент мюона в Стандартной модели». Physics Reports . 887 : 1–166. arXiv : 2006.04822 . Bibcode :2020PhR...887....1A. doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .