Аномальный магнитный дипольный момент

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.

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

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

Электрон

Однопетлевая поправка к . магнитному дипольному моменту фермиона

Однопетлевой показанной вклад в аномальный магнитный момент электрона, соответствующий первой и наибольшей квантовомеханической поправке, находится путем расчета вершинной функции, на диаграмме рядом. Расчет относительно прост и результат одного цикла:

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

где $\alpha$ – константа тонкой структуры . Этот результат впервые был получен Джулианом Швингером в 1948 году. и выгравировано на его надгробии . По состоянию на 2016 год коэффициенты формулы КЭД для аномального магнитного момента электрона известны аналитически с точностью до $\alpha ^{3}$  и рассчитаны на заказ $\alpha ^{5}$:

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

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

Текущее экспериментальное значение и неопределенность составляют:

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

Согласно этому значению, $a_{\text{e}}$ известно с точностью около 1 части на 10 миллиардов (10 ¹⁰ ). Это потребовало измерения $g$ с точностью около 1 части на 10 триллионов (10 ¹³ ).

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 в себя три части:

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

Из первых двух компонентов $a_{\mu }^{\mathrm {QED} }$ представляет фотонные и лептонные петли, а $a_{\mu }^{\mathrm {EW} }$ W-бозон, бозон Хиггса и петли Z-бозона; оба могут быть точно рассчитаны на основе первых принципов. Третий срок, $a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }$, представляет адронные петли; его невозможно точно рассчитать только на основе теории. Оно оценивается на основе экспериментальных измерений отношения адронного и мюонного сечений ( R ) в электрон - антиэлектроне (
и ⁻
–
и ⁺
) Столкновения. По состоянию на июль 2017 года результаты измерений расходятся со Стандартной моделью на 3,5 стандартных отклонения . предположение, что физика за пределами Стандартной модели может иметь эффект (или что теоретические/экспериментальные ошибки не полностью находятся под контролем). Это одно из давних расхождений 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 удерживающем накопителе. Эксперимент E821 показал следующее среднее значение.

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

Новый эксперимент в Фермилабе под названием « Мюон g -2 » с использованием магнита E821 улучшит точность этого значения. Сбор данных начался в марте 2018 года и, как ожидается, завершится в сентябре 2022 года. Промежуточные результаты опубликованы 7 апреля 2021 г. урожайность $a_{\mu }=0.001\,165\,920\,40(54)$ что в сочетании с существующими измерениями дает более точную оценку $a_{\mu }=0.001\,165\,920\,61(41)$, что превышает предсказание Стандартной модели на 4,2 стандартных отклонения. Кроме того, эксперимент E34 в J-PARC планируют начать в 2024 году.

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.

Ваш

Прогноз Стандартной модели для : аномального магнитного дипольного момента тау

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

в то время как наилучшая измеренная граница для $a_{\tau }$ является

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

Композитные частицы

Композитные частицы часто обладают огромным аномальным магнитным моментом. Примерами могут служить нуклоны , , протоны и нейтроны состоящие из кварков . велики Магнитные моменты нуклонов 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.

См. также

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

Библиография

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

Внешние ссылки

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