A müon rendellenes mágneses momentuma

A müon anomális mágneses momentuma a müon mágneses momentumának eltérése a müonmozgás kvantummechanikai relativisztikus egyenlete által megjósolt „normális” értéktől [1] . Jelölve μ [ 2] .

Bevezetés

Az anomális mágneses momentum ( a ) nullától eltérő értéke egy részecske virtuális részecskékkel való kölcsönhatásának – a vákuumkvantummezők ingadozásának – következménye . Az a érték mérésével megbecsülhető az összes létező mező ( kölcsönhatások ) teljes hozzájárulása, beleértve azokat is, amelyek túllépik a szabványos modell (SM) határait.

Az elektron anomális mágneses momentumának nagyságát ( a e ) szinte teljesen elektromágneses kölcsönhatások határozzák meg , míg a müon anomális mágneses momentuma ( a μ ) esetén az elektromágneses hozzájárulás dominanciája némileg gyengül. A müon jelentős tömege (majdnem 207-szer nehezebb, mint az elektron) körülbelül 43 000-szeresére növeli a hatalmas mezők hozzájárulását az e- hez képest ( fedezettnemfelmég,egyéb≈207 hipotetikus kölcsönhatás az SM-en kívül). Ez kezdetben nagy érdeklődést váltott ki egy μ mérése iránt, még az a e mérési pontosságánál lényegesen gyengébb pontossággal is [2] .

Ha a részecskék rendellenes mágneses momentumainak tanulmányozásával új fizikát keresünk , elméletileg vonzóbb lenne a tau leptonok használata, még az elektronoknál és a müonoknál is nehezebb , de nehezebb őket előállítani, és túl gyorsan bomlanak [3] .

A tudomány érdeklődése nem a müon anomális mágneses momentumának ( a μ exp ) kísérletileg kapott értéke , hanem annak különbsége ( a μ ) a számított (elméleti) értéktől ( a μ SM ) az SM-en belül ( SM ): a μ a μ exp a μ SM .

Jelenleg az SM keretein belül a μ számítási pontossága elérte a 0,3-0,4 ppm - et . Az E821 kísérletben mért μ és az SM-en belüli előrejelzése között 3,5-4 szórás (σ) különbség van . A kísérlet összetettsége és a számítások alapján még korai ezt az eltérési szintet az Új fizika megnyilvánulásának megbízható tényeként értékelni, azonban ez az eredmény nagy érdeklődést váltott ki a tudományos közösségben, és jelenleg a legjelentősebb megfigyelés. a Standard Modell előrejelzései és a kísérleti eredmények közötti eltérés [4] , amely további ellenőrzést igényel .

Történelem

Az elemi részecskék mágneses momentumainak vizsgálata Stern-Gerlach 1921-es kísérletével kezdődött [ 5 ] .

1947-ben az atomi átmenetek hiperfinom szerkezetének mérése során azt találták, hogy a szintek felosztása kismértékben meghaladja az előre jelzett értéket, ami arra utalhat, hogy az elektron ge giromágneses aránya némileg eltér a 2-től. hogy egy elektron anomális mágneses momentuma (ami dimenzió nélküli érték ): a e =(1.15±0.04) 10 -3 [6] .

Schwinger volt az első, aki megállapította (1948-1949), hogy a ge és a 2 közötti különbség a sugárzási korrekcióknak köszönhető , és kiszámította az elektron anomális mágneses momentumát a perturbációelmélet első rendjében : a e =1,16 10 -3 , amely ragyogóan egybeesett a mérési eredményekkel ( az 1947-es Lamb-eltolás kiszámításával együtt ez a kvantumelektrodinamika diadala volt ) [2] .

A "The Question of Parity Conservation in Weak Interactions " (1956) cikkében Lee és Yang először megjósolta a müon anomális mágneses momentumának mérésének lehetőségét [2] [7] .

A müon giromágneses arányának ( g μ ) első mérését 1957-ben végezték el a Nevis Laboratory ciklotronjában ( Ervington , USA ). A rendelkezésre álló mérési pontosság ( g μ =2,00±0,10) nem tette lehetővé, hogy a müon anomális mágneses momentumának nagyságára következtessünk, de sikerült megállapítani, hogy a müon pontrészecske ( összetett részecske esetén g μ szignifikánsan eltérhet a 2-től), és megerősítették, hogy a müonok és pionok bomlása során a paritás nem konzervált [2] .

Az 1960-as Nevis-ciklotronnál végzett pontosabb mérés ( g μ =2(1,00122±0,00008)) közel 10%-os pontossággal igazolta, hogy a μ , ahol a finomszerkezeti állandó , vagyis a müon az elektron nehéz analógja [ 2] .

Az 1960-as és 1970-es években a CERN - ben számos μ mérést végeztek egyre nagyobb pontossággal [4] :

A következő lépés az E821 kísérlet volt, amelyet az 1990-es évek végén és a 2000-es évek elején végzett a Brookhaven National Laboratory (BNL), amelynek pontossága 14-szerese volt a CERN III kísérletének [4] .

Jelenleg a laboratóriumban Enrico Fermi Muon g−2 (E989)-el kísérletezik az E821 kísérlet mágnesével, amely a szervezők terve szerint négyszeresére, akár 0,14 ppm-re növeli az érték pontosságát [8] . Az adatgyűjtés 2018 márciusában kezdődött, és várhatóan 2022 szeptemberében ér véget [9] . A Fermilab 2021-ben jelentette be a müon anomális mágneses momentumának g-tényezőjének első mérési eredményeit , amelyeket a Muon g−2 kísérlet első szakasza során kaptak, és amelyek statisztikailag szignifikáns eltérést mutatnak a szórás és az előrejelzések között. a standard modell [10] . Ez az anomália erős bizonyítéka az ötödik alapvető kölcsönhatás létezésének [11] . A kísérlet következő szakaszai során az eredményeknek a Standard Modell előrejelzéseitől való eltérésének statisztikai pontossága növekedni fog, és nagyon valószínű, hogy hamarosan eléri azt a szintet, amely elegendő az Új fizika hivatalos felfedezéséhez [12] .

A jövőben egy még pontosabb kísérletet is terveznek az E34 müon anomális mágneses momentumának mérésére a J-PARC- nál , az adatgyűjtés kezdetét 2024-re tervezik [13] .

táblázat
Kísérlet Év Muon polaritás a μ Pontosság ( ppm ) Jegyzetek és linkek
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) tíz
CERN III 1975-1976 μ- _ 0,0011659360(120) tíz
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 – jelen ban ben. µ + 0,00116592061(41) 0,35 Az első munkamenet eredményei [14]

Jelentése

Elmélet

2020 júniusában a 20 ország több mint 130 tudósából álló Muon g−2 Theory Initiative nemzetközi csoport [15] , mintegy 80 kutatóintézet képviseletében megjelentette "A müon anomáliás mágneses momentuma a standard modellben" című cikket. amelyről a müon anomális mágneses momentumának jelenlegi (2021-es) számított (elméleti) értékének legpontosabb értékét közölte [16] :

a μSM = 116591810 (43) × 10 -11 .

2021-ben a Nature publikált egy elméleti csoport tanulmányát szuperszámítógépes numerikus számításokkal , rácsos kvantumkromodinamika alkalmazásával , amely olyan eredményt mutatott, amely közelebb áll a kísérleti eredményhez, mint a 2020-as konszenzusos elméleti érték [17] .

Kísérleti adatok

A legpontosabb ( a Fermilab 2021 új, még pontosabb eredményeinek publikálása előtt ) a müon rendellenes mágneses momentumának mérése volt , amelyet a Brookhaven National Laboratory által 2006-ban végzett E821 kísérlet során kaptak [18] . - állandó külső mágneses térben a müon és az antimuon precesszióját vizsgáltuk a korlátozó tárológyűrűben keringve. A kapott adatok szerint a müon mágneses momentumának anomális része [19] :

a μ exp , ahol (54) és (33) a statisztikai és a szisztematikus hibák méretei .

A statisztikák elemzése lehetővé tette egy μ független mérését μ - és μ + esetén 0,7 ppm pontossággal. Ezek az eredmények jó egyezést mutattak egymással, megerősítve a CPT invarianciáját . A μ - és μ + eredményeket kombinálva 0,54 ppm pontossággal kaptuk meg a végeredményt [4] .

Jegyzetek

  1. ↑ Fizikai enciklopédia » / szerk. A. M. Prokhorova . - 1988, cikk "Anomális mágneses momentum"
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 541.
  3. ↑ Logasenko I. B. A folyamat + - + - keresztmetszetének és a müon rendellenes mágneses momentumának mérése  : Doktori disszertáció jóváhagyása. - INP SB RAS , 2018. - március 2. - S. 1-92 .
  4. ↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , p. 542.
  5. ↑ Logasenko, Eidelman, 2018 , p. 540.
  6. ↑ Logasenko, Eidelman, 2018 , p. 540-541.
  7. ↑ Lee, Yang, 1956 .
  8. ↑ Fermilab (2013. május 8.). A forradalmi müonkísérlet egy 50 láb széles részecsketároló gyűrű 3200 mérföldes mozgásával kezdődik . Sajtóközlemény . Az eredetiből archiválva : 2015. március 16. Letöltve: 2021-02-13 .
  9. ↑ A g-2 müonkísérlet jelenlegi állapota a  Fermilabnál . indico.cern.ch . Letöltve: 2020. szeptember 28. Az eredetiből archiválva : 2021. február 16.
  10. ↑ Abi B et al. A pozitív müon anomális mágneses momentumának mérése 0,46 ppm-re // Phys. Fordulat. Lett . 126 141801 (2021);
  11. ↑ Archivált másolat . Letöltve: 2021. április 11. Az eredetiből archiválva : 2021. április 28..
  12. ↑ A Muon g-2 kísérlet eltéréseket észlelt a standard modelltől a müon mágneses momentumának mérésében . Letöltve: 2021. április 12. Az eredetiből archiválva : 2021. április 12.
  13. ↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura és P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
  14. ↑ Marc, Tracy . A Fermilab Muon g-2 kísérletének első eredményei megerősítik az új fizika , a Fermilab bizonyítékát  (2021. április 7.). Archiválva az eredetiből 2021. április 7-én. Letöltve: 2021. április 7.
  15. ↑ Ausztrália, Ausztria, Nagy-Britannia, Németország, Dánia, Spanyolország, Olaszország, Kanada, Kína, Mexikó, Lengyelország, Portugália, Oroszország, Románia, USA, Franciaország, Svájc, Svédország, Dél-Afrika, Japán.
  16. ↑ A müon rendellenes mágneses momentuma a Standard Modellben, 2020 .
  17. ↑ Az új eredmények kiélezik és megzavarják a müon rendellenes mágneses momentumának rejtélyét . Letöltve: 2021. április 25. Az eredetiből archiválva : 2021. április 20.
  18. ↑ A Muon g-2 kísérlet kezdőlapja . G-2.bnl.gov (2004. január 8.). Letöltve: 2012. január 6. Az eredetiből archiválva : 2018. május 19.
  19. ↑ (a Particle Data Group 2007. júliusi áttekintéséből) . Hozzáférés dátuma: 2012. január 6. Az eredetiből archiválva : 2011. december 12.

Irodalom