Momento magnético anómalo del muón

El momento magnético anómalo del muón es la desviación del momento magnético del muón del valor “normal” predicho por la ecuación relativista mecánica cuántica del movimiento del muón [1] . Denotado un μ [2] .

Introducción

El valor distinto de cero del momento magnético anómalo ( a ) es una consecuencia de la interacción de una partícula con partículas virtuales : fluctuaciones de los campos cuánticos de vacío . Al medir el valor de a , se puede estimar la contribución total de todos los campos existentes ( interacciones ), incluidos aquellos que van más allá de los límites del Modelo Estándar (SM).

La magnitud del momento magnético anómalo del electrón ( a e ) está determinada casi por completo por las interacciones electromagnéticas , mientras que en el caso del momento magnético anómalo del muón ( a μ ) la dominancia de la contribución electromagnética es algo debilitada. La masa significativa del muón (casi 207 veces más pesado que el electrón) aumenta la contribución de los campos masivos en comparación con ≈207(veces43.000aproximadamenteeneun interacciones hipotéticas , aún no descubiertas, fuera del SM. Esto generó inicialmente un gran interés en las medidas de a μ , incluso con una precisión significativamente inferior a la precisión de las medidas de a e [2] .

Para buscar Nueva Física mediante el estudio de los momentos magnéticos anómalos de las partículas, teóricamente sería más atractivo utilizar leptones tau , incluso más pesados ​​que los electrones y los muones, pero son más difíciles de producir y se descomponen demasiado rápido [3] .

El interés de la ciencia no es el valor obtenido experimentalmente del momento magnético anómalo del muón ( a μ exp ) , sino su diferencia ( a μ ) del valor calculado (teórico) ( a μ SM ) dentro del SM ( SM ): a μ a μ exp a μ SM .

En el momento actual, la precisión del cálculo de un μ en el marco del SM ha llegado a 0,3–0,4 ppm . Entre el resultado de medir un μ en el experimento E821 y su predicción dentro del SM hay una diferencia de 3,5-4 desviaciones estándar (σ) . Basado en la complejidad del experimento y los cálculos, es demasiado pronto para evaluar este nivel de diferencia como un hecho confiable de la manifestación de la Nueva Física, sin embargo, este resultado despertó gran interés en la comunidad científica y actualmente es la observación más significativa de la discrepancia entre las predicciones del Modelo Estándar y los resultados experimentales [4] , requiriendo mayor verificación .

Historia

El estudio de los momentos magnéticos de las partículas elementales se inició con el experimento de Stern-Gerlach en 1921 [5] .

En 1947, en el curso de las mediciones de la estructura hiperfina de las transiciones atómicas, se encontró que la división de niveles excede ligeramente el valor predicho, lo que puede indicar que la relación giromagnética de la generación de electrones es algo diferente de 2. Las mediciones mostraron que el momento magnético anómalo (que es un valor adimensional ) de un electrón es: a e =(1.15±0.04) 10 -3 [6] .

Schwinger fue el primero en establecer (1948-1949) que la diferencia entre ge y 2 se debe a correcciones radiativas , y calculó el momento magnético anómalo del electrón en la teoría de la perturbación de primer orden : a e =1.16 10 -3 , que coincidió brillantemente con los resultados de la medición (junto con cambio de Lamb en 1947, esto fue un triunfo para la electrodinámica cuántica ) [2] .

En el artículo "La cuestión de la conservación de la paridad en interacciones débiles " (1956) , Lee y Yang predijeron por primera vez la posibilidad de medir el momento magnético anómalo del muón [2] [7] .

La primera medición de la relación giromagnética de muones ( g μ ) se llevó a cabo en 1957 en el ciclotrón del Nevis Laboratory ( Ervington , EE . UU .). La precisión de medida disponible ( g μ =2.00±0.10) no nos permitió concluir sobre la magnitud del momento magnético anómalo del muón, pero sí fue posible establecer que el muón es una partícula puntual (para una partícula compuesta, g μ puede diferir significativamente de 2), y se confirmó la no conservación de la paridad en el decaimiento de muones y piones [2] .

Una medición más precisa en el ciclotrón de Nevis de 1960 ( g μ =2(1.00122±0.00008)) confirmó con casi un 10 % de precisión que a μ , donde es la constante de estructura fina , es decir, el muón es un análogo pesado del electrón [ 2] .

En las décadas de 1960 y 1970, se llevaron a cabo varias mediciones de un μ en el CERN con una precisión cada vez mayor [4] :

El siguiente paso fue el experimento E821, realizado a fines de la década de 1990 y principios de la de 2000 por el Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL), cuya precisión fue 14 veces mayor que la del experimento CERN III [4] .

Actualmente en el laboratorio Enrico Fermi está experimentando con Muon g−2 (E989) utilizando el imán del experimento E821, que, según el plan de los organizadores, debería aumentar la precisión del valor 4 veces, hasta 0,14 ppm [8] . La recopilación de datos comenzó en marzo de 2018 y se espera que finalice en septiembre de 2022 [9] . En 2021, Fermilab anunció los primeros resultados de medición del Factor g del momento magnético anómalo del muón, obtenidos durante la primera sesión del experimento Muon g−2, que tienen una discrepancia estadísticamente significativa entre la desviación estándar y las predicciones de el modelo estándar [10] . Esta anomalía es una fuerte evidencia de la existencia de una quinta interacción fundamental [11] . Durante las próximas sesiones del experimento, la precisión estadística de la desviación de los resultados de las predicciones del Modelo Estándar aumentará y, muy probablemente, pronto alcanzará el nivel suficiente para el descubrimiento oficial de Nueva Física [12] .

En el futuro, también se planea realizar un experimento aún más preciso para medir el momento magnético anómalo del muón E34 en J-PARC , el inicio de la recopilación de datos está programado para 2024 [13] .

Tabla
Experimento Año Polaridad de muones una m Precisión ( ppm ) Notas y enlaces
CERN I 1961 m + 0.0011450000(220000) 4300
CERNII 1962-1968 m + 0.0011661600(3100) 270
CERNIII 1974-1976 m + 0.0011659100(110) diez
CERNIII 1975-1976 μ- _ 0.0011659360(120) diez
BNL (E821) 1997 m + 0.0011659251(150) 13
BNL (E821) 1998 m + 0.0011659191(59) 5
BNL (E821) 1999 m + 0.0011659202(15) 1.3
BNL (E821) 2000 m + 0.0011659204(9) 0.73
BNL (E821) 2001 μ- _ 0.0011659214(9) 0.72
muón g-2 2018 –presente en. m + 0.00116592061(41) 0.35 Resultados de la primera sesión de trabajo [14]

Significado

Teoría

En junio de 2020, el grupo internacional Muon g−2 Theory Initiative , formado por más de 130 científicos de 20 países [15] , que representan a unas 80 instituciones de investigación, publicó el artículo "Momento magnético anómalo del muón en el modelo estándar", en que informó el valor calculado (teórico) más preciso a partir de ahora (2021) del momento magnético anómalo del muón [16] :

un µSM = 116591810 (43)×10 −11 .

En 2021, Nature publicó un artículo de un grupo teórico que utiliza cálculos numéricos de supercomputadora utilizando cromodinámica cuántica de celosía , que muestra un resultado más cercano al experimental que el valor teórico de consenso de 2020 [17] .

Datos experimentales

La más precisa ( antes de la publicación de los nuevos resultados del Fermilab 2021, que son aún más precisos ) fue la medida del momento magnético anómalo del muón, obtenida durante el experimento E821 [18] , realizado por el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2006 - En un campo magnético externo constante , se estudió la precesión del muón y el antimuón, circulando en el anillo limitador de almacenamiento. Según los datos obtenidos, la parte anómala del momento magnético del muón es [19] :

a μ exp , donde (54) y (33) son los tamaños de los errores estadísticos y sistemáticos, respectivamente.

El análisis de las estadísticas hizo posible medir un μ de forma independiente para μ - y μ + con una precisión de 0,7 ppm. Estos resultados estaban en buena concordancia entre sí, lo que confirma la invariancia de CPT . Al combinar los resultados de μ - y μ + , se obtuvo el resultado final con una precisión de 0,54 ppm [4] .

Notas

  1. ↑ Enciclopedia Física » / ed. A. M. Prokhorova . - 1988, artículo "Momento magnético anómalo"
  2. ↑ 1 2 3 4 5 6 Logashenko, Eidelman, 2018 , pág. 541.
  3. ↑ Logashenko I. B. Medición de la sección transversal del proceso + - + - y el momento magnético anómalo del muón  : Aprobación de una tesis doctoral. - INP SB RAS , 2018. - 2 de marzo. - S. 1-92 .
  4. ↑ 1 2 3 4 Logashenko, Eidelman, 2018 , pág. 542.
  5. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , pág. 540.
  6. ↑ Logashenko, Eidelman, 2018 , pág. 540-541.
  7. ↑ Lee, Yang, 1956 .
  8. ↑ Fermilab (8 de mayo de 2013). Experimento revolucionario con muones que comenzará con un movimiento de 3,200 millas de un anillo de almacenamiento de partículas de 50 pies de ancho . Comunicado de prensa . Archivado desde el original el 16 de marzo de 2015. Consultado el 13 de febrero de 2021 .
  9. ↑ Estado actual del experimento del muón g-2 en Fermilab  . indico.cern.ch . Consultado el 28 de septiembre de 2020. Archivado desde el original el 16 de febrero de 2021.
  10. ↑ Abi B et al. Medición del Momento Magnético Anómalo del Muón Positivo a 0.46 ppm // Phys. Rvdo. Lett . 126 141801 (2021);
  11. ↑ Copia archivada . Consultado el 11 de abril de 2021. Archivado desde el original el 28 de abril de 2021.
  12. ↑ El experimento Muon g-2 vio desviaciones del modelo estándar en las mediciones del momento magnético del muón . Consultado el 12 de abril de 2021. Archivado desde el original el 12 de abril de 2021.
  13. ↑ G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura y P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
  14. ↑ Marc, Tracy . Los primeros resultados del experimento Muon g-2 de Fermilab fortalecen la evidencia de una nueva física , Fermilab  (7 de abril de 2021). Archivado desde el original el 7 de abril de 2021. Consultado el 7 de abril de 2021.
  15. ↑ Australia, Austria, Gran Bretaña, Alemania, Dinamarca, España, Italia, Canadá, China, México, Polonia, Portugal, Rusia, Rumania, Estados Unidos, Francia, Suiza, Suecia, Sudáfrica, Japón.
  16. ↑ El momento magnético anómalo del muón en el Modelo Estándar, 2020 .
  17. ↑ Nuevos resultados agudizan y confunden el misterio del momento magnético anómalo del muón . Consultado el 25 de abril de 2021. Archivado desde el original el 20 de abril de 2021.
  18. ↑ Página de inicio del experimento Muon g-2 . G-2.bnl.gov (8 de enero de 2004). Consultado el 6 de enero de 2012. Archivado desde el original el 19 de mayo de 2018.
  19. ↑ (de la revisión de julio de 2007 de Particle Data Group) . Fecha de acceso: 6 de enero de 2012. Archivado desde el original el 12 de diciembre de 2011.

Literatura