Muonin poikkeava magneettinen momentti

Muonin poikkeava magneettinen momentti on myonin magneettisen momentin poikkeama " normaalista " arvosta, joka ennustetaan kvanttimekaanisen relativistisen myonin liikkeen yhtälön avulla [1] . Merkitään μ : llä [2] .

Johdanto

Epänormaalin magneettisen momentin ( a ) nollasta poikkeava arvo on seurausta hiukkasen vuorovaikutuksesta virtuaalisten hiukkasten kanssa - tyhjiökvanttikenttien vaihteluista . Mittaamalla a :n arvoa voidaan arvioida kaikkien olemassa olevien kenttien kokonaisvaikutus ( vuorovaikutukset ), mukaan lukien ne, jotka ylittävät standardimallin (SM) rajat.

Elektronin poikkeavan magneettisen momentin ( a e ) suuruus määräytyy lähes kokonaan sähkömagneettisten vuorovaikutusten avulla, kun taas myonin poikkeavan magneettisen momentin ( a μ ) tapauksessa sähkömagneettisen vaikutuksen dominanssi on jonkin verran heikentynyt. Muonin merkittävä massa (melkein 207 kertaa elektronia raskaampi) lisää massiivisten kenttien vaikutusta e:hen verrattuna noin ,muuta≈207(kertaa00043 hypoteettista vuorovaikutusta SM:n ulkopuolella). Tämä johti alun perin suureen kiinnostukseen μ : n mittauksiin , vaikka tarkkuus oli merkittävästi huonompi kuin a e :n mittausten tarkkuus [2] .

Uuden fysiikan etsiminen tutkimalla hiukkasten poikkeavia magneettimomentteja olisi teoriassa houkuttelevampaa käyttää tau-leptoneja , jopa elektroneja ja myoneja raskaampia , mutta niitä on vaikeampi tuottaa ja ne hajoavat liian nopeasti [3] .

Tieteen mielenkiinto ei ole myonin poikkeavan magneettisen momentin kokeellisesti saatu arvo ( a μ exp ) , vaan sen ero ( a μ ) lasketusta (teoreettisesta) arvosta ( a μ SM ) SM:n sisällä ( SM ): a μ a μ exp a μ SM .

Tällä hetkellä μ :n laskentatarkkuus SM:n puitteissa on saavuttanut 0,3–0,4 ppm . E821-kokeessa saadun μ :n mittaustuloksen ja sen SM:n ennusteen välillä on 3,5-4 standardipoikkeaman (σ) ero . Kokeen ja laskelmien monimutkaisuuden perusteella on liian aikaista arvioida tätä eron tasoa luotettavaksi tosiasiaksi uuden fysiikan ilmentymisestä, mutta tämä tulos herätti suurta kiinnostusta tiedeyhteisössä ja on tällä hetkellä merkittävin havainto. standardimallin ennusteiden ja kokeellisten tulosten välinen ero [4] , joka vaatii lisätodentamista .

Historia

Alkuainehiukkasten magneettisten momenttien tutkimus alkoi Stern-Gerlachin kokeella vuonna 1921 [5] .

Vuonna 1947 atomisiirtymien hyperhienorakenteen mittauksissa todettiin, että tasojen jakautuminen ylittää hieman ennustetun arvon, mikä saattaa viitata siihen , että elektronin ge gyromagneettinen suhde on jonkin verran erilainen kuin 2. Mittaukset osoittivat että elektronin poikkeava magneettinen momentti (joka on dimensioton arvo ) on: a e =(1.15±0.04) 10 -3 [6] .

Schwinger totesi ensimmäisenä (1948-1949), että ge :n ja 2: n välinen ero johtuu säteilykorjauksista , ja laski elektronin poikkeavan magneettisen momentin häiriöteorian ensimmäisessä järjestyksessä : a e =1,16 10 -3 , joka osui loistavasti yhteen mittaustulosten kanssa ( yhdessä Lamb-siirtymän laskemisen kanssa vuonna 1947 tämä oli kvanttielektrodynamiikan voitto ) [2] .

Artikkelissa "The Question of Parity Conservation in Weak Interactions " (1956) Lee ja Yang ennustivat ensin mahdollisuuden mitata myonin poikkeava magneettinen momentti [2] [7] .

Ensimmäinen myonin gyromagneettisen suhteen ( g μ ) mittaus suoritettiin vuonna 1957 Nevis Laboratoryn syklotronissa ( Ervington , USA ). Saatavilla oleva mittaustarkkuus ( g μ =2,00±0,10) ei antanut johtopäätöstä myonin poikkeavan magneettisen momentin suuruudesta, mutta oli mahdollista todeta, että myon on pistehiukkanen ( komposiittihiukkaselle g μ voi poiketa merkittävästi arvosta 2), ja vahvistettiin pariteetin säilymättömyys myonien ja pionien hajoamisessa [2] .

Tarkempi mittaus vuoden 1960 Nevis-syklotronilla ( g μ =2(1,00122±0,00008)) vahvisti lähes 10 %:n tarkkuudella, että a μ , jossa on hienorakennevakio , eli myon on elektronin raskas analogi [ 2] .

1960- ja 1970-luvuilla CERN :ssä suoritettiin useita μ :n mittauksia kasvavalla tarkkuudella [4] :

Seuraava askel oli E821-koe, jonka Brookhaven National Laboratory (BNL) suoritti 1990-luvun lopulla ja 2000-luvun alussa ja jonka tarkkuus oli 14 kertaa suurempi kuin CERN III -kokeessa [4] .

Tällä hetkellä laboratoriossa Enrico Fermi kokeilee Muon g−2 (E989) kokeen magneetilla E821, jonka pitäisi järjestäjien suunnitelman mukaan kasvattaa arvon tarkkuutta 4-kertaiseksi, jopa 0,14 ppm:ään [8] . Tiedonkeruu aloitettiin maaliskuussa 2018 ja sen odotetaan päättyvän syyskuussa 2022 [9] . Vuonna 2021 Fermilab julkisti ensimmäiset Muon g−2 -kokeen ensimmäisessä istunnossa saadut myonin poikkeavan magneettisen momentin g-tekijän mittaustulokset , joissa on tilastollisesti merkitsevä ero keskihajonnan ja ennusteiden välillä. vakiomalli [10] . Tämä poikkeama on vahva todiste viidennen perustavanlaatuisen vuorovaikutuksen olemassaolosta [11] . Kokeen seuraavien istuntojen aikana standardimallin ennusteista poikkeamien tulosten tilastollinen tarkkuus kasvaa ja saavuttaa hyvin todennäköisesti pian tason, joka riittää uuden fysiikan viralliseen löytämiseen [12] .

Jatkossa on myös tarkoitus tehdä vielä tarkempi koe E34-myonin poikkeavan magneettisen momentin mittaamiseksi J-PARC :ssa, tiedonkeruun on määrä alkaa vuonna 2024 [13] .

Taulukko
Koe vuosi Muonin polariteetti a μ Tarkkuus ( ppm ) Huomautuksia ja linkkejä
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) kymmenen
CERN III 1975-1976 μ- _ 0,0011659360(120) kymmenen
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 - nykyhetkellä sisään. µ + 0,00116592061(41) 0,35 Ensimmäisen työskentelyn tulokset [14]

Merkitys

Teoria

Kesäkuussa 2020 kansainvälinen ryhmä Muon g−2 Theory Initiative , johon kuuluu yli 130 tiedemiestä 20 maasta [15] , jotka edustavat noin 80 tutkimuslaitosta, julkaisi artikkelin "Muonin poikkeava magneettinen momentti standardimallissa", jonka hän raportoi tämän hetken (2021) tarkimman lasketun (teoreettisen) arvon myonin poikkeavasta magneettimomentista [16] :

a μSM = 116591810 (43) × 10-11 .

Vuonna 2021 Nature julkaisi supertietokoneen numeerisia laskelmia käyttäen hilakvanttikromodynamiikkaa käyttävän teoreettisen ryhmän artikkelin , jossa tulos on lähempänä kokeellista kuin vuoden 2020 konsensuksen teoreettinen arvo [17] .

Kokeelliset tiedot

Tarkin ( ennen Fermilab 2021 :n uusien tulosten julkaisemista , jotka ovat vielä tarkempia ) oli myonin poikkeavan magneettisen momentin mittaus, joka saatiin kokeessa E821 [18] , jonka Brookhaven National Laboratory suoritti vuonna 2006. - jatkuvassa ulkoisessa magneettikentässä tutkittiin myonin ja antimuonin precessiota , jotka kiertävät rajoittavassa varastorenkaassa. Saatujen tietojen mukaan myonin magneettimomentin poikkeava osa on [19] :

a μ exp , jossa (54) ja (33) ovat tilastollisten ja systemaattisten virheiden koot , vastaavasti.

Tilastojen analyysi mahdollisti μ:n mittaamisen itsenäisesti arvoille μ - ja μ + 0,7 ppm:n tarkkuudella. Nämä tulokset olivat hyvin sopusoinnussa keskenään, mikä vahvisti CPT:n muuttumattomuuden . Yhdistämällä μ - ja μ + tulokset saatiin lopputulos 0,54 ppm:n tarkkuudella [4] .

Muistiinpanot

  1. ↑ Physical Encyclopedia » / toim. A. M. Prokhorova . - 1988, artikkeli "Epänormaali magneettinen momentti"
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 541.
  3. ↑ Logashenko I. B. Prosessin + - + - poikkileikkauksen ja myonin poikkeavan magneettisen momentin mittaus  : Väitöskirjan hyväksyntä. - INP SB RAS , 2018. - 2. maaliskuuta. - S. 1-92 .
  4. ↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 542.
  5. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 540.
  6. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , s. 540-541.
  7. ↑ Lee, Yang, 1956 .
  8. ↑ Fermilab (8. toukokuuta 2013). Vallankumouksellinen myonikoe alkaa 3200 mailin siirrolla 50 jalkaa leveällä hiukkasten varastointirenkaalla . Lehdistötiedote . Arkistoitu alkuperäisestä 16. maaliskuuta 2015. Haettu 2021-02-13 .
  9. ↑ Fermilabin g -2-myonikokeen  nykytila . indico.cern.ch . Haettu 28. syyskuuta 2020. Arkistoitu alkuperäisestä 16. helmikuuta 2021.
  10. ↑ Abi B et ai. Positiivisen Muonin poikkeavan magneettisen momentin mittaus arvoon 0,46 ppm // Phys. Rev. Lett . 126 141801 (2021);
  11. ↑ Arkistoitu kopio . Haettu 11. huhtikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 28. huhtikuuta 2021.
  12. ↑ Muon g-2 -kokeessa havaittiin poikkeamia standardimallista myonin magneettisen momentin mittauksissa . Haettu 12. huhtikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 12. huhtikuuta 2021.
  13. ↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura ja P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
  14. ↑ Marc, Tracy . Ensimmäiset tulokset Fermilabin Muon g-2 -kokeesta vahvistavat näyttöä uudesta fysiikasta , Fermilabista  (7. huhtikuuta 2021). Arkistoitu alkuperäisestä 7. huhtikuuta 2021. Haettu 7. huhtikuuta 2021.
  15. ↑ Australia, Itävalta, Iso-Britannia, Saksa, Tanska, Espanja, Italia, Kanada, Kiina, Meksiko, Puola, Portugali, Venäjä, Romania, USA, Ranska, Sveitsi, Ruotsi, Etelä-Afrikka, Japani.
  16. ↑ Muonin poikkeava magneettinen momentti vakiomallissa, 2020 .
  17. ↑ Uudet tulokset terävöittävät ja hämmentävät myonin poikkeavan magneettisen momentin mysteeriä . Haettu 25. huhtikuuta 2021. Arkistoitu alkuperäisestä 20. huhtikuuta 2021.
  18. ↑ Muon g-2 -kokeilun kotisivu . G-2.bnl.gov (8. tammikuuta 2004). Haettu 6. tammikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 19. toukokuuta 2018.
  19. ↑ (Particle Data Groupin heinäkuun 2007 katsauksesta) . Käyttöpäivä: 6. tammikuuta 2012. Arkistoitu alkuperäisestä 12. joulukuuta 2011.

Kirjallisuus