Anomalt magnetisk dipolmoment - Anomalous magnetic dipole moment

I kvanteelektrodynamikk er det anomale magnetiske øyeblikket til en partikkel et bidrag fra effekten av kvantemekanikken , uttrykt av Feynman-diagrammer med løkker, til det magnetiske øyeblikket til den partikkelen. ( Magnetmomentet , også kalt magnetisk dipolmoment , er et mål på styrken til en magnetisk kilde.)

Det "Dirac" magnetiske øyeblikket , som tilsvarer Feynman-diagrammer på trenivå (som kan betraktes som det klassiske resultatet), kan beregnes fra Dirac-ligningen . Det uttrykkes vanligvis i form av g-faktoren ; spår Dirac-ligningen . For partikler som elektronet , skiller dette klassiske resultatet seg fra den observerte verdien med en liten brøkdel av en prosent. Forskjellen er det avvikende magnetiske øyeblikket, betegnet og definert som ${\ displaystyle g = 2}$${\ displaystyle a}$

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

Elektron

En-krets korreksjon til et fermions magnetiske dipolmoment.

En -sløyfebidraget til det anomale magnetiske momentet - som tilsvarer den første og største kvantemekaniske korreksjonen - av elektronet blir funnet ved å beregne toppunktfunksjonen vist i det tilstøtende diagrammet. Beregningen er relativt grei, og resultatet med en sløyfe er:

${\ displaystyle a_ {e} = {\ frac {\ alpha} {2 \ pi}} \ ca 0,001 \; 161 \; 4}$

hvor er den fine strukturen konstant . Dette resultatet ble først funnet av Julian Schwinger i 1948 og er inngravert på gravsteinen hans . Fra og med 2016 er koeffisientene til QED-formelen for det anomale magnetiske momentet til elektronet kjent analytisk opp til   og har blitt beregnet etter bestilling : ${\ displaystyle \ alpha}$${\ displaystyle \ alpha ^ {3}}$${\ displaystyle \ alpha ^ {5}}$

${\ displaystyle a_ {e} = 0.001 \; 159 \; 652 \; 181 \; 643 (764)}$

QED-spådommen stemmer overens med den eksperimentelt målte verdien til mer enn 10 signifikante figurer, noe som gjør elektronens magnetiske øyeblikk til den mest nøyaktig verifiserte spådommen i fysikkens historie . (Se presisjonstester av QED for detaljer.)

Den nåværende eksperimentelle verdien og usikkerheten er:

${\ displaystyle a_ {e} = 0.001 \; 159 \; 652 \; 180 \; 73 (28)}$

I henhold til denne verdien, er kjent med en nøyaktighet på rundt 1 del i 1 milliard (10 ⁹ ). Dette krevde måling med en nøyaktighet på rundt 1 del i 1 billion (10 ¹² ). ${\ displaystyle a_ {e}}$${\ displaystyle g}$

Muon

Foreslåtte minimale supersymmetriske standardmodell - endringskorrigeringer til muon g −2 som involverer partikler utover standardmodellen: henholdsvis en neutralino og en smuon , og en chargino og en muon sneutrino .

Det avvikende magnetiske øyeblikket til muonet blir beregnet på samme måte som elektronet. Forutsigelsen for verdien av det anomale magnetiske momentet i muon inkluderer tre deler:

${\ displaystyle {\ begin {align} a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {SM}} & = a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {QED}} + a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {EW} } + a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {Hadron}} \\ & = 0.001 \; 165 \; 918 \; 04 (51) \ end {aligned}}}$

Av de to første komponentene representerer foton- og leptonløkkene, og W-boson-, Higgs-boson- og Z-bosonløkkene; begge kan beregnes nøyaktig ut fra de første prinsippene. Det tredje begrepet representerer hadronløkker; det kan ikke beregnes nøyaktig ut fra teorien alene. Det er estimert fra eksperimentelle målinger av forholdet mellom hadroniske og muoniske tverrsnitt ( R ) i elektron - antielektron ( ) kollisjoner. Fra og med juli 2017 er målingen uenig med standardmodellen med 3,5  standardavvik , noe som tyder på at fysikk utover standardmodellen kan ha en effekt (eller at de teoretiske / eksperimentelle feilene ikke er helt under kontroll). Dette er en av de langvarige avvikene mellom standardmodellen og eksperimentet. ${\ displaystyle a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {QED}}}$${\ displaystyle a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {EW}}}$${\ displaystyle a _ {\ mu} ^ {\ mathrm {Hadron}}}$${\ displaystyle e ^ {-} e ^ {+}}$

Den E821 eksperiment ved Brookhaven National Laboratory (BNL) studerte presesjon av myon og antimyon i en konstant ytre magnetfelt som de sirkuleres i et begrense lagrings ring. E821-eksperimentet rapporterte følgende gjennomsnittsverdi

${\ displaystyle a _ {\ mu} = 0.001 \; 165 \; 920 \; 9 (6).}$

Et nytt eksperiment på Fermilab kalt " Muon g −2 " med E821-magneten vil forbedre nøyaktigheten av denne verdien. Datainnsamlingen begynte i mars 2018 og forventes å slutte i september 2022. Et foreløpig resultat som ble utgitt 7. april 2021 gir, som i kombinasjon med eksisterende målinger gir et mer presist estimat som overstiger Standard Model-spådommen med 4,2 standardavvik. Eksperiment E34 på J-PARC planlegger også å starte sitt første løp i 2024. ${\ displaystyle a _ {\ mu} = 0.001 \; 165 \; 920 \; 40 (54)}$${\ displaystyle a _ {\ mu} = 0.001 \; 165 \; 920 \; 61 (41)}$

I april 2021 rapporterte en internasjonal gruppe på fjorten fysikere at de ved å bruke ab-initio kvantekromodynamikk og kvanteelektrodynamikk- simuleringer var i stand til å oppnå en teoribasert tilnærming som var mer enig med den eksperimentelle verdien enn med den forrige teoribaserte verdien som baserte seg på på elektron-positron-utslettelseseksperimenter.

Tau

Standardmodellspådommen for taus anomale magnetiske dipolmoment er

${\ displaystyle a _ {\ tau} = 0.001 \; 177 \; 21 (5)}$ ,

mens den beste målte grensen for er ${\ displaystyle a _ {\ tau}}$

${\ displaystyle -0.052 <a _ {\ tau} <+ 0.013}$ .

Komposittpartikler

Komposittpartikler har ofte et enormt unormalt magnetisk øyeblikk. Dette gjelder protonen , som består av ladede kvarker , og nøytronet , som har et magnetisk øyeblikk, selv om det er elektrisk nøytralt.

Se også

• Avvikende elektrisk dipolmoment
• G-faktor (fysikk) (dimensjonsløst magnetisk moment)
• Proton magnetisk øyeblikk
• Neutron magnetisk øyeblikk
• Elektronmagnetisk øyeblikk
• Gordon nedbrytning

Merknader

Bibliografi

• Sergei Vonsovsky (1975). Magnetisme av elementære partikler . Mir Publishers.

Eksterne linker

• Oversikt over g − 2 eksperimentet
• Kusch, P .; Foley, HM (1948). "The Magnetic Moment of the Electron". Fysisk gjennomgang . 74 (3): 250–263. Bibcode : 1948PhRv ... 74..250K . doi : 10.1103 / PhysRev.74.250 .
• Aoyama, T .; et al. (2020). "Det avvikende magnetiske øyeblikket til muonet i standardmodellen" . Fysikkrapporter . 887 : 1–166. doi : 10.1016 / j.physrep.2020.07.006 .