Просмотр кода страницы Аномальный магнитный момент мюона

'''Анома́льный магни́тный моме́нт мюо́на''' — [[Аномальный магнитный момент|отклонение величины магнитного момента]] [[мюон]]а от «нормального» значения, предсказываемого [[Квантовая механика|квантовомеханическим]] [[Релятивистская механика|релятивистским]] [[Уравнение движения|уравнением движения]] мюона<ref name="Прохоров">[[Физическая энциклопедия]]» / под ред. [[Прохоров, Александр Михайлович|А. М. Прохорова]]. — 1988, статья «Аномальный магнитный момент»</ref>. Обозначается {{math|''a''<sub>μ</sub>}}{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}.

== Введение ==
Ненулевое значение аномального магнитного момента ({{math|''a''}}) есть следствие взаимодействия [[Элементарная частица|частицы]] с [[Виртуальная частица|виртуальными частицами]] — [[Квантовая флуктуация|флуктуациями]] [[Квантовая теория поля|квантовых полей]] [[вакуум]]а. Измеряя величину {{math|''a''}}, можно оценить суммарный вклад всех существующих полей ([[Фундаментальные взаимодействия|взаимодействий]]), в том числе [[Физика за пределами Стандартной модели|выходящих за пределы]] [[Стандартная модель|Стандартной модели]] (СМ).

Величина аномального магнитного момента [[электрон]]а ({{math|''a''<sub>e</sub>}}) почти полностью определяется [[Электромагнитное взаимодействие|электромагнитными взаимодействиями]], тогда как в случае аномального магнитного момента мюона ({{math|''a''<sub>μ</sub>}}) доминирование электромагнитного вклада несколько ослаблено. Значительная масса мюона (тяжелее электрона почти в 207 раз) усиливает вклад массивных полей по сравнению с {{math|''a''<sub>e</sub>}} приблизительно в 43&nbsp;000 раз (≈207<sup>2</sup>), что позволяет «увидеть» проявления полей за рамками [[Квантовая электродинамика|КЭД]] — [[Сильное взаимодействие|сильных]], [[Слабое взаимодействие|слабых]], и, возможно, других, ещё не открытых, [[пятая сила|гипотетических взаимодействий]] за пределами СМ. Это изначально обусловило большой интерес к измерениям {{math|''a''<sub>μ</sub>}}, даже с точностью, значительно уступающей точности измерений {{math|''a''<sub>e</sub>}}{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}.

Для поиска [[Физика за пределами Стандартной модели|Новой физики]] путём исследования аномальных магнитных моментов частиц теоретически было бы привлекательнее использовать ещё [[Поколение (физика)|более тяжёлые]], чем электроны и мюоны, [[тау-лептон]]ы, однако их сложнее производить, и они слишком быстро распадаются<ref>{{статья |автор=Логашенко И. Б. |заглавие=Измерение сечения процесса <math>e^+ e^- \to \pi^+ \pi^-</math> и аномального магнитного момента мюона |ссылка=https://inp.nsk.su/images/seminary/logashenko.pdf |тип=Апробация докторской диссертации |место= |издательство=[[Институт ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН|ИЯФ СО РАН]] |год=2018 |месяц=3 |число=2 |страницы=1—92 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20210619091015/https://inp.nsk.su/images/seminary/logashenko.pdf |archivedate=2021-06-19}}</ref>.

Интерес науки вызывает не сама экспериментально полученная величина аномального магнитного момента мюона ({{math|''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup>}}),{{переход|Эксперимент}} а её отличие (<math>\Delta</math>{{math|''a''<sub>μ</sub>}}){{переход|Разница}} от расчётного (теоретического) значения ({{math|''a''<sub>μ</sub><sup>SM</sup>}}){{переход|Теория}} в рамках [[Стандартная модель|СМ]]: {{math|1=Δ''a''<sub>μ</sub> = ''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup> − ''a''<sub>μ</sub><sup>SM</sup>}}.

На текущее время точность расчёта {{math|''a''<sub>μ</sub>}} в рамках СМ достигла 0,3—0,4 [[Миллионная доля|ppm]]. Между результатом измерения {{math|''a''<sub>μ</sub>}} в эксперименте E821{{переход|Эксперимент}} и его предсказанием в рамках СМ{{переход|Теория}} наблюдается разница в 3,5—4 [[Среднеквадратическое отклонение|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{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=542}}, требующим дальнейшей проверки.{{переход|Современные исследования}}

== История ==
Изучение [[Магнитный момент|магнитных моментов]] [[Элементарная частица|элементарных частиц]] началось с [[Опыт Штерна — Герлаха|опыта Штерна — Герлаха]] в [[1921 год в науке|1921 году]]{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=540}}.

В 1947 году, в ходе измерений [[Сверхтонкая структура|сверхтонкой структуры]] атомных переходов, было установлено, что расщепление [[Энергетический уровень|уровней]] немного превышает предсказанное значение, что может указывать на то, что [[гиромагнитное отношение]] [[электрон]]а {{math|''g''<sub>e</sub>}} несколько отличается от 2. Измерения показали, что аномальный магнитный момент (представляющий собой [[Безразмерная величина|безразмерную величину]]) электрона равен {{math|1=''a''<sub>e</sub> = (1,15 ± 0,04){{e|−3}}}}{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=540—541}}.

[[Швингер, Джулиан|Швингер]] первым установил (1948—1949), что отличие {{math|''g''<sub>e</sub>}} от 2 обусловлено [[Радиационные поправки|радиационными поправками]], и вычислил аномальный магнитный момент электрона в первом порядке [[Теория возмущений|теории возмущений]]: {{math|1=''a''<sub>e</sub> = 1,16{{e|−3}}}}, блестяще совпавший с результатами измерений (в совокупности с вычислением [[Лэмбовский сдвиг|лэмбовского сдвига]] в 1947 году это стало триумфом [[Квантовая электродинамика|квантовой электродинамики]]){{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}.

В статье «Вопрос сохранения [[Чётность (физика)|чётности]] в [[Слабое взаимодействие|слабых взаимодействиях]]» (1956) [[Ли Чжэндао|Ли]] и [[Янг Чжэньнин|Янг]] впервые предсказали возможность измерения аномального магнитного момента мюона{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}{{sfn|Lee, Yang|1956|loc=|с=}}.

Первое измерение гиромагнитного отношения мюона ({{math|''g''<sub>μ</sub>}}) было проведено в 1957 году на [[циклотрон]]е {{iw|Невисская лаборатория|Невисской лаборатории|en|Nevis Laboratories}} ([[Эрвингтон (Нью-Йорк)|Эрвингтон]], [[Соединённые Штаты Америки|США]]). Имеющаяся точность измерения ({{math|1=''g''<sub>μ</sub> = 2,00 ± 0,10}}) не позволила сделать вывод о величине аномального магнитного момента мюона, но удалось установить, что мюон является ''точечной'' частицей (для [[Список частиц#Составные частицы|''составной'' частицы]] {{math|''g''<sub>μ</sub>}} может значительно отличаться от 2), и подтвердилось [[Чётность (физика)#Несохранение чётности|несохранение чётности]] при распадах мюонов и [[Пион (частица)|пионов]]{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}.

Более точное измерение на циклотроне Nevis 1960 года ({{math|1=''g''<sub>μ</sub> = 2⋅(1,00122 ± 0,00008)}}) почти с 10 % точностью подтвердило, что {{math|''a''<sub>μ</sub> ≈ α/(2π)}}, где <math>\alpha</math> — [[постоянная тонкой структуры]], то есть мюон является [[Поколение (физика)|тяжёлым аналогом]] электрона{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=541}}.

В 1960—1970-х годах в [[ЦЕРН]]е было проведено несколько измерений {{math|''a''<sub>μ</sub>}} со всё возрастающей точностью{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=542}}:
* Первый эксперимент (CERN I) — достигнута относительная точность 0,4 %; подтверждено предсказание КЭД для {{math|''a''<sub>μ</sub>}} с учётом вкладов порядка <math>\alpha/\pi</math> и <math>(\alpha/\pi)^2</math>.
* Второй эксперимент конца 1960-х годов (CERN II) — относительная точность 0,027 %; предсказание КЭД подтверждено до <math>(\alpha/\pi)^3</math>. Кроме того, впервые аномальный магнитный момент мюона был измерен как для мюона ({{math|''μ''<sup>−</sup>}}), так и для [[Элементарная частица#Античастицы|антимюона]] ({{math|''μ''<sup>+</sup>}}).
* Третья серия экспериментов 1970-х годов (CERN III) — относительная точность 0,00073 % (7,3 [[Миллионная доля|ppm]]) дала возможность «увидеть» не только вклад КЭД, но и вклад [[Сильное взаимодействие|сильных взаимодействий]] с точностью ~10 %.

Следующим этапом стал проведённый в конце 1990-х — начале 2000-х годов [[Брукхейвенская национальная лаборатория|Брукхейвенской национальной лабораторией]] (BNL) эксперимент E821, точность которого в 14 раз превысила точность эксперимента CERN III{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=542}}.{{переход|Значение}}

В настоящее время в [[Фермилаб|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<ref>{{cite press release |url=http://www.fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2013/Muon-g-2-201305.html |title=Revolutionary muon experiment to begin with 3,200&nbsp;mile move of 50&nbsp;foot-wide particle storage ring |date=2013-05-08|publisher=Fermilab |access-date=2015-03-16 |df=dmy-all |archivedate=2015-03-16 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20150316084355/http://fnal.gov/pub/presspass/press_releases/2013/Muon-g-2-201305.html }}</ref>. Сбор данных начался в марте 2018 года, окончание ожидается в сентябре 2022 года<ref>{{Cite web |title=Текущее состояние эксперимента с мюоном g-2 в Фермилабе |url=https://indico.cern.ch/event/838862/contributions/3609622/attachments/2054740/3445104/FPCP-2020-muon_g-2_Experiment.pdf |access-date=2020-09-28 |website=indico.cern.ch |language=en |archive-date=2021-02-16 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210216093624/https://indico.cern.ch/event/838862/contributions/3609622/attachments/2054740/3445104/FPCP-2020-muon_g-2_Experiment.pdf |url-status=live }}</ref>. В 2021 году Фермилаб объявила первые результаты измерения [[g-фактор]]а 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<ref>''Abi B et al.'' [https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.141801 Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm] // [[Phys. Rev. Lett]]. 126 141801 (2021);</ref>. Эта аномалия является сильным свидетельством существования [[Пятая сила|пятого фундаментального взаимодействия]]<ref>{{Cite web |url=https://www.bbc.com/news/56643677 |title=Архивированная копия |access-date=2021-04-11 |archive-date=2021-04-28 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210428123808/https://www.bbc.com/news/56643677 |url-status=live }}</ref>. 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 [[Физика за пределами Стандартной модели|Новой физики]]<ref>{{Cite web |url=https://nplus1.ru/news/2021/04/08/muon-g-2-first-results |title=Эксперимент Muon g-2 увидел отклонения от Стандартной модели в измерениях магнитного момента мюона<!-- Заголовок добавлен ботом --> |access-date=2021-04-12 |archive-date=2021-04-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210412001318/https://nplus1.ru/news/2021/04/08/muon-g-2-first-results |url-status=live }}</ref>.

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

==== Таблица ====
{| class="wikitable sortable" style="font-size: 90%"
 !Эксперимент
 !Год
 !Полярность<br> мюонов
 !{{math|''a''{{sub|μ}}}}
 !Точность ([[Миллионная доля|ppm]])
 !Примечания и ссылки
 |-
 |CERN I
 |1961
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,001145(22)
 |4300
 |
  |-
 |CERN II
 |1962—1968
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,00116616(31)
 |270
 |
 |-
 |CERN III
 |1974—1976
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,001165910(11)
 |10
 |
 |-
 |CERN III
 |1975—1976
 |{{math|''μ''<sup>−</sup>}}
 |0,001165936(12)
 |10
 |
 |-
 |BNL (E821)
 |1997
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,001165925(15)
 |13
 |
 |-
 |BNL (E821)
 |1998
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,0011659191(59)
 |5
 |
 |-
 |BNL (E821)
 |1999
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,0011659202(15)
 |1,3
 |
 |-
 |BNL (E821)
 |2000
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 |0,0011659204(9)
 |0,73
 |
 |-
 |BNL (E821)
 |2001
 |{{math|''μ''<sup>−</sup>}}
 |0,0011659214(9)
 |0,72
 |
 |-
 |Muon g-2
 |2021 (2018—2021)
 |{{math|''μ''<sup>+</sup>}}
 | 0,00116592061(41)
 | 0,35
 | Результаты первого сеанса работы<ref name="FL-20210407">{{cite news |last=Marc |first=Tracy |title=First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics |url=https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ |date=2021-04-07 |work=[[Fermilab]] |accessdate=2021-04-07 |archivedate=2021-04-07 |archiveurl=https://web.archive.org/web/20210407165822/https://news.fnal.gov/2021/04/first-results-from-fermilabs-muon-g-2-experiment-strengthen-evidence-of-new-physics/ }}</ref>
 |-
 |Muon g-2
 |2023 (2018—2023)
 |{{math|''μ''}}<sup>+</sup>
 | 0,00116592059(22)
 | 0,19
 | Результаты второго сеанса работы<ref>{{cite web |url=https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf |title=Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.20 ppm |lang=en |author=The Muon g − 2 Collaboration |date=2023-08-10) |access-date=2023-08-13 |archive-date=2023-08-11 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230811195904/https://muon-g-2.fnal.gov/result2023.pdf |url-status=live }}</ref>
 |-
 |}

<!-- В марте 2023 года Новосибирские физике на детекторе КМД-3 коллайдера ВПП измерили магнитный момент сбора и он оказался совпадающим с теоретическим <ref>{{Cite web |url=https://poisknews.ru/themes/physics/sila-v-prostote-novosibirskie-fiziki-vernuli-mir-k-standartnoj-modeli/ |title=Сила в простоте. Новосибирские физики вернули мир к стандартной модели |access-date=2023-05-13 |archive-date=2023-05-13 |archive-url=https://web.archive.org/web/20230513105627/https://poisknews.ru/themes/physics/sila-v-prostote-novosibirskie-fiziki-vernuli-mir-k-standartnoj-modeli/ |deadlink=no }}</ref>

Нужно найти и добавить данные измерений в таблицу.
-->

== 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<ref>Австралии, Австрии, Великобритании, Германии, Дании, Испании, Италии, Канады, Китая, Мексики, Польши, Португалии, России, Румынии, США, Франции, Швейцарии, Швеции, ЮАР, Японии.</ref>, 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{{sfn|The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|2020|loc=|с=}}:
: {{math|''a''}}{{sub|μ}}{{sup|SM}} = 116591810(43)×10{{sup|−11}}.

В 2021 году в журнале ''[[Nature]]'' была опубликована статья теоретической группы, использовавшей [[Компьютерное моделирование|численный расчёт]] на суперкомпьютерах с помощью метода [[Квантовая хромодинамика|квантовой хромодинамики]] на решётке, показавший результат, который ближе к экспериментальному, чем к консенсусному теоретическому значению 2020 года<ref>{{Cite web |url=https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433800/Novye_rezultaty_obostryayut_i_zaputyvayut_zagadku_anomalnogo_magnitnogo_momenta_myuona |title=Новые результаты обостряют и запутывают загадку аномального магнитного момента мюона |access-date=2021-04-25 |archive-date=2021-04-20 |archive-url=https://web.archive.org/web/20210420023925/https://old.elementy.ru/novosti_nauki/433800/Novye_rezultaty_obostryayut_i_zaputyvayut_zagadku_anomalnogo_magnitnogo_momenta_myuona |url-status=live }}</ref>.

=== Экспериментальные данные ===
Наиболее точным (до публикации ещё более точных результатов эксперимента [[Muon g-2]]а, которые можно посмотреть в таблице выше) являлось измерение аномального магнитного момента мюона, полученное в ходе эксперимента E821<ref>{{cite web |url=http://www.g-2.bnl.gov/ |title=The Muon g-2 Experiment Home Page |publisher=G-2.bnl.gov |date=2004-01-08 |access-date=2012-01-06 |archive-date=2018-05-19 |archive-url=https://web.archive.org/web/20180519004041/https://www.g-2.bnl.gov/ |url-status=live }}</ref>, проведённого [[Брукхейвенская национальная лаборатория|Брукхейвенской национальной лабораторией]] в 2006 году — в постоянном внешнем магнитном поле изучалась [[Ларморовская прецессия|прецессия]] мюона и антимюона, циркулировавших в ограничивающем накопительном кольце. Согласно полученным данным, аномальная часть магнитного момента мюона составляет<ref>{{cite web |url=http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/g-2_s004219.pdf |title=(from the July 2007 review by Particle Data Group) |access-date=2012-01-06 |archive-date=2011-12-12 |archive-url=https://web.archive.org/web/20111212133727/http://pdg.lbl.gov/2007/reviews/g-2_s004219.pdf |url-status=live }}</ref>
: {{math|''a''<sub>μ</sub><sup>exp</sup>}} <math>= \frac{g-2}{2} = 0{,}00116592080(54)(33),</math>
где (54) и (33) — размеры статистической и систематической [[Погрешность измерения|погрешностей]] соответственно.

Анализ статистики позволил измерить {{math|''a''<sub>μ</sub>}} независимо для {{math|''μ''<sup>−</sup>}} и {{math|''μ''<sup>+</sup>}} с точностью 0,7 ppm. Данные результаты хорошо согласовались между собой, подтверждая [[CPT-инвариантность]]. Путём объединения результатов для {{math|''μ''<sup>−</sup>}} и {{math|''μ''<sup>+</sup>}} был получен окончательный результат с точностью 0,54 ppm{{sfn|Логашенко, Эйдельман|2018|loc=|с=542}}.

== Примечания ==
{{примечания}}

== Литература ==
* {{статья|автор=Логашенко И. Б., Эйдельман С. И.|заглавие=Аномальный магнитный момент мюона|оригинал=|ссылка=https://ufn.ru/ru/articles/2018/5/f/|язык=|ответственный=|автор издания=|издание=[[Успехи физических наук]]|тип=журнал|место=М.|издательство=[[Физический институт имени П. Н. Лебедева РАН]]|год=2018|месяц=5|число=|том=188|выпуск=|номер=5|страницы=540—573|isbn=|issn=0042-1294|doi=10.3367/UFNr.2018.02.038312|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=Логашенко, Эйдельман|archiveurl=|archivedate=}}
* {{статья|автор=Lee T. D., Yang C. N.|заглавие=Question of Parity Conservation in Weak Interactions|оригинал=|ссылка=https://journals.aps.org/pr/abstract/10.1103/PhysRev.104.254|язык=en|ответственный=|автор издания=|издание=[[Physical Review]]|тип=журнал|место=|издательство=[[Американское физическое общество]]|год=1956|месяц=10|число=1|том=104 (254)|выпуск=|номер=1|страницы=254—258|isbn=|issn=|doi=10.1103/PhysRev.104.254|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=Lee, Yang|archiveurl=|archivedate=}}
* {{статья|автор=|заглавие=The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|оригинал=|ссылка=https://arxiv.org/abs/2006.04822|язык=en|ответственный=|автор издания=|издание={{iw|Physics Reports|Physics Reports|en|Physics Reports}}|тип=журнал|место=|издательство=[[Elsevier]]|год=2020|месяц=12|число=3|том=887|выпуск=|номер=|страницы=1—166|isbn=|issn=|doi= 	10.1016/j.physrep.2020.07.006|bibcode=|arxiv=|pmid=|ref=The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model|archiveurl=|archivedate=}}
* [https://arxiv.org/abs/1811.06974v1 The History of the Muon (g−2) Experiments]
* [https://arxiv.org/abs/hep-ex/0602035v1 Final Report of the Muon E821 Anomalous Magnetic Moment Measurement at BNL]
* [https://arxiv.org/abs/hep-ex/0401008v3 Measurement of the Negative Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.7 ppm]

{{За пределами Стандартной модели}}

[[Категория:Квантовая электродинамика]]
[[Категория:Элементарные частицы]]
[[Категория:Магнетизм]]
[[Категория:Мюон]]
[[Категория:Физика за пределами Стандартной модели]]
[[Категория:Нерешённые проблемы современной физики]]