Аномальный магнитный момент мюона

Анома́льный магни́тный моме́нт мюо́на — отклонение величины магнитного момента мюона от «нормального» значения, предсказываемого квантовомеханическим релятивистским уравнением движения мюона[1]. Обозначается a_μ[2].

Введение

Ненулевое значение аномального магнитного момента (a) есть следствием взаимодействия частицы с виртуальными частицами — флуктуациями квантовых полей вакуума. Измеряя величину a, можно оценить суммарный вклад всех существующих полей (взаимодействий), в том числе выходящих за пределы Стандартной модели (СМ).

Величина аномального магнитного момента электрона (a_e) почти полностью определяется электромагнитными взаимодействиями, тогда как в случае аномального магнитного момента мюона (a_μ) доминирование электромагнитного вклада несколько ослаблено. Значительная масса мюона (тяжелее электрона почти в 207 раз) усиливает вклад массивных полей по сравнению с a_e приблизительно в 43 000 раз (≈207²), что позволяет «увидеть» проявления полей за рамками КЭД — сильных, слабых, и, возможно, других, ещё не открытых, гипотетических взаимодействий за пределами СМ. Это изначально обусловило большой интерес к измерениям a_μ, даже с точностью, значительно уступающей точности измерений a_e[2].

Для поиска Новой физики путём исследования аномальных магнитных моментов частиц теоретически было бы привлекательнее использовать ещё более тяжёлые, чем электроны и мюоны, тау-лептоны, однако их сложнее производить, и они слишком быстро распадаются[3].

Интерес науки вызывает не сама экспериментально полученная величина аномального магнитного момента мюона (a_μ^exp), а её отличие ( $\Delta$ a_μ) от расчётного (теоретического) значения (a_μ^SM) в рамках СМ (SM): $\Delta$ a_μ $=$ a_μ^exp $-$ a_μ^SM.

На текущее время точность расчёта a_μ в рамках СМ достигла 0,3—0,4 ppm. Между результатом измерения a_μ в эксперименте E821 и его предсказанием в рамках СМ наблюдается разница в 3,5—4 стандартных отклонения (σ). Исходя из сложности эксперимента и расчётов, такой уровень различия пока рано оценивать как надёжный факт проявления Новой физики, однако данный результат вызвал огромный интерес научного сообщества и на текущий момент является наиболее значимым наблюдением расхождения предсказаний Стандартной модели с результатами эксперимента[4], требующим дальнейшей проверки.

История

Изучение магнитных моментов элементарных частиц началось с опыта Штерна — Герлаха в 1921 году[5].

В 1947 году, в ходе измерений сверхтонкой структуры атомных переходов, было установлено, что расщепление уровней немного превышает предсказанное значение, что может указывать на то, что гиромагнитное отношение электрона g_e несколько отличается от 2. Измерения показали, что аномальный магнитный момент (представляющий собой безразмерную величину) электрона равен: a_e=(1,15±0,04) $\cdot$ 10^-3[6].

Швингер первым установил (1948—1949), что отличие g_e от 2 обусловлено радиационными поправками, и вычислил аномальный магнитный момент электрона в первом порядке теории возмущений: a_e=1,16 $\cdot$ 10^-3, блестяще совпавший с результатами измерений (в совокупности с вычислением лэмбовского сдвига (1947) это стало триумфом квантовой электродинамики)[2].

В статье «Вопрос сохранения чётности в слабых взаимодействиях» (1956) Ли и Янг впервые предсказали возможность измерения аномального магнитного момента мюона[2][7].

Первое измерение гиромагнитного отношения мюона (g_μ) было проведено в 1957 году на циклотроне Невисской лаборатории (Эрвингтон, США). Имеющаяся точность измерения (g_μ=2,00±0,10) не позволила сделать вывод о величине аномального магнитного момента мюона, но удалось установить, что мюон является точечной частицей (для составной частицы g_μ может значительно отличаться от 2), и подтвердилось несохранение чётности при распадах мюонов и пионов[2].

Более точное измерение на циклотроне Nevis 1960 года (g_μ=2(1,00122±0,00008)) почти с 10 %-й точностью подтвердило, что a_μ $\approx \alpha /(2\pi )$ , где $\alpha$ — постоянная тонкой структуры, то есть мюон является тяжёлым аналогом электрона[2].

В 1960—1970-х годах в ЦЕРНе было проведено несколько измерений a_μ со всё возрастающей точностью[4]:

Первый эксперимент (CERN I) — достигнута относительная точность 0,4 %; подтверждено предсказание КЭД для a_μ с учётом вкладов порядка $\alpha /\pi$ и $(\alpha /\pi )$ ^$2$.
Второй эксперимент конца 1960-х годов (CERN II) — относительная точность 0,027 %; предсказание КЭД подтверждено до $(\alpha /\pi )$ ^$3$. Кроме того, впервые аномальный магнитный момент мюона был измерен как для мюона (μ^-), так и для антимюона (μ⁺).
Третья серия экспериментов 1970-х годов (CERN III) — относительная точность 0,00073 % (7,3 ppm) дала возможность «увидеть» не только вклад КЭД, но и вклад сильных взаимодействий с точностью ~10 %.

Следующим этапом стал проведённый в конце 1990-х — начале 2000-х годов Брукхейвенской национальной лабораторией (BNL) эксперимент E821, точность которого в 14 раз превысила точность эксперимента CERN III[4].

В настоящее время в лаборатории им. Энрико Ферми идёт эксперимент Muon g−2 (E989) с использованием магнита эксперимента E821, который, по замыслу организаторов, должен повысить точность значения в 4 раза, до 0,14 ppm[8]. Сбор данных начался в марте 2018 года, окончание ожидается в сентябре 2022 года[9]. В 2021 году Фермилаб объявила первые результаты измерения g-Фактора аномального магнитного момента мюона, полученные в ходе первого сеанса работы эксперимента Muon g−2, имеющие статистически значимое расхождение $3,3$ стандартных отклонения с предсказаниями Стандартной модели[10]. Эта аномалия является сильным свидетельством существования пятого фундаментального взаимодействия[11]. В ходе следующих сеансов работы эксперимента статистическая точность отклонения результатов от предсказаний Стандартной модели будет увеличиваться, и, весьма вероятно, скоро достигнет планки, достаточной для официального открытия Новой физики[12].

В будущем также планируется провести ещё более точный эксперимент по измерению аномального магнитного момента мюона E34 в J-PARC, начало сбора данных запланировано на 2024 год[13].

Таблица

Эксперимент	Год	Полярность мюонов	a_μ	Точность (ppm)	Примечания и ссылки
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)	10
CERN III	1975—1976	μ^-	0,0011659360(120)	10
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—н. в.	μ⁺	0,00116592061(41)	0,35	Результаты первого сеанса работы[14]

Значение

Теория

В июне 2020 года международная группа «Инициатива по теории мюона g−2» (Muon g−2 Theory Initiative) в составе более 130 учёных из 20 стран[15], представляющих около 80 исследовательских учреждений, опубликовала статью «Аномальный магнитный момент мюона в Стандартной модели», в котором сообщила наиболее точное по состоянию на настоящее время (2021) расчётное (теоретическое) значение аномального магнитного момента мюона[16]:

a_μ^SM = 116591810(43)×10⁻¹¹.

В 2021 году в журнале Nature была опубликована статья теоретической группы, использовавшей численный расчёт на суперкомпьютерах с помощью метода квантовой хромодинамики на решётке, показавший результат, который ближе к экспериментальному, чем к консенсусному теоретическому значению 2020 года[17].

Экспериментальные данные

Наиболее точным (до публикации новых результатов Фермилаба 2021 года, которые ещё точнее) являлось измерение аномального магнитного момента мюона, полученное в ходе эксперимента E821[18], проведённого Брукхейвенской национальной лабораторией в 2006 году — в постоянном внешнем магнитном поле изучалась прецессия мюона и антимюона, циркулировавших в ограничивающем накопительном кольце. Согласно полученным данным, аномальная часть магнитного момента мюона составляет[19]:

a_μ^exp

={\frac {g-2}{2}}=0.00116592080(54)(33)

, где (54) и (33) — размеры статистической и систематической погрешностей соответственно.

Анализ статистики позволил измерить a_μ независимо для μ^- и μ⁺ с точностью 0,7 ppm. Данные результаты хорошо согласовались между собой, подтверждая CPT-инвариантность. Путём объединения результатов для μ^- и μ⁺ был получен окончательный результат с точностью 0,54 ppm[4].

Примечания

Физическая энциклопедия» / под ред. А. М. Прохорова. — 1988, статья «Аномальный магнитный момент»
Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 541.
Логашенко И. Б. Измерение сечения процесса $e$ ⁺ $e$ ^- $\rightarrow$ $\pi$ ⁺ $\pi$ ^- и аномального магнитного момента мюона : Апробация докторской диссертации. — ИЯФ СО РАН, 2018. — 2 марта. — С. 1—92.
Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 542.
Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 540.
Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 540—541.
Lee, Yang, 1956.
Fermilab (May 8, 2013). Revolutionary muon experiment to begin with 3,200 mile move of 50 foot-wide particle storage ring. Пресс-релиз.
Текущее состояние эксперимента с мюоном g-2 в Фермилабе (англ.). indico.cern.ch. Дата обращения: 28 сентября 2020.
Abi B et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm // Phys. Rev. Lett. 126 141801 (2021);
https://www.bbc.com/news/56643677
Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона
G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura, and P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
Marc, Tracy. First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics, Fermilab (April 7, 2021). Дата обращения 7 апреля 2021.
Австралии, Австрии, Великобритании, Германии, Дании, Испании, Италии, Канады, Китая, Мексики, Польши, Португалии, России, Румынии, США, Франции, Швейцарии, Швеции, ЮАР, Японии.
The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model, 2020.
Новые результаты обостряют и запутывают загадку аномального магнитного момента мюона
The Muon g-2 Experiment Home Page (неопр.). G-2.bnl.gov (8 января 2004). Дата обращения: 6 января 2012.
(from the July 2007 review by Particle Data Group) (неопр.). Дата обращения: 6 января 2012.

Литература

Логашенко И. Б., Эйдельман С. И. Аномальный магнитный момент мюона // Успехи физических наук : журнал. — М.: Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН, 2018. — Май (т. 188, № 5). — С. 540—573. — ISSN 0042-1294. — doi:10.3367/UFNr.2018.02.038312.
Lee T. D., Yang C. N. Question of Parity Conservation in Weak Interactions (англ.) // Physical Review : журнал. — Американское физическое общество, 1956. — 1 October (vol. 104 (254), no. 1). — P. 254—258. — doi:10.1103/PhysRev.104.254.
The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model (англ.) // Physics Reports : журнал. — Elsevier, 2020. — 3 December (vol. 887). — P. 1—166. — doi:10.1016/j.physrep.2020.07.006.
The History of the Muon (g−2) Experiments
Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL
Measurement of the Negative Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.7 ppm

This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.

[Прохоров-1] Физическая энциклопедия» / под ред. А. М. Прохорова. — 1988, статья «Аномальный магнитный момент»

[_bc7f9530519d1c9d-2] Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 541.

[3] Логашенко И. Б. Измерение сечения процесса $e$ ⁺ $e$ ^- $\rightarrow$ $\pi$ ⁺ $\pi$ ^- и аномального магнитного момента мюона : Апробация докторской диссертации. — ИЯФ СО РАН, 2018. — 2 марта. — С. 1—92.

[_bc7f9530519d1c9e-4] Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 542.

[_bc7f9530519d1c9c-5] Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 540.

[_395cfb698c3fb5c6-6] Логашенко, Эйдельман, 2018, с. 540—541.

[_ecdb5a620cd758e7-7] Lee, Yang, 1956.

[8] Fermilab (May 8, 2013). Revolutionary muon experiment to begin with 3,200 mile move of 50 foot-wide particle storage ring. Пресс-релиз.

[9] Текущее состояние эксперимента с мюоном g-2 в Фермилабе (англ.). indico.cern.ch. Дата обращения: 28 сентября 2020.

[10] Abi B et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm // Phys. Rev. Lett. 126 141801 (2021);

[11] ttps://www.bbc.com/news/56643677

[12] Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона

[13] G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura, and P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].

[FL-20210407-14] Marc, Tracy. First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics, Fermilab (April 7, 2021). Дата обращения 7 апреля 2021.

[15] Австралии, Австрии, Великобритании, Германии, Дании, Испании, Италии, Канады, Китая, Мексики, Польши, Португалии, России, Румынии, США, Франции, Швейцарии, Швеции, ЮАР, Японии.

[_915d3731fa46aef0-16] The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model, 2020.

[17] Новые результаты обостряют и запутывают загадку аномального магнитного момента мюона

[18] The Muon g-2 Experiment Home Page (неопр.). G-2.bnl.gov (8 января 2004). Дата обращения: 6 января 2012.

[19] (from the July 2007 review by Particle Data Group) (неопр.). Дата обращения: 6 января 2012.