Momento dipolar magnético anómalo

Diferencias de las propiedades magnéticas en la teoría de campos cuánticos de lo esperado de las teorías clásicas

En electrodinámica cuántica , el momento magnético anómalo de una partícula es una contribución de efectos de la mecánica cuántica , expresados ​​mediante diagramas de Feynman con bucles, al momento magnético de esa partícula. El momento magnético , también llamado momento dipolar magnético , es una medida de la fuerza de una fuente magnética.

El momento magnético "Dirac" , correspondiente a los diagramas de Feynman a nivel de árbol (que puede considerarse como el resultado clásico), se puede calcular a partir de la ecuación de Dirac . Generalmente se expresa en términos del factor g ; la ecuación de Dirac predice . Para partículas como el electrón , este resultado clásico difiere del valor observado en una pequeña fracción de un porcentaje. La diferencia es el momento magnético anómalo, denotado y definido como ${\displaystyle g=2}$ ${\displaystyle a}$

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

Electrón

Corrección de un bucle del momento dipolar magnético de un fermión .

La contribución de un bucle al momento magnético anómalo (correspondiente a la primera y mayor corrección mecánica cuántica) del electrón se encuentra calculando la función de vértice que se muestra en el diagrama adyacente. El cálculo es relativamente sencillo  ^[1] y el resultado de un bucle es:

$${\displaystyle a_{\text{e}}={\frac {\alpha }{2\pi }}\approx 0.001\,161\,4,}$$

constante de estructura finaJulian Schwinger^[2]su lápida^{[3][4] [5] [6]} ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha ^{3}}$ ${\displaystyle \alpha ^{5}}$

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

La predicción QED concuerda con el valor medido experimentalmente en más de 10 cifras significativas, lo que convierte al momento magnético del electrón en una de las predicciones verificadas con mayor precisión en la historia de la física . (Consulte Pruebas de precisión de QED para obtener más detalles).

El valor experimental actual y la incertidumbre son: ^[7]

$${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,180\,59(13)}$$

¹⁰¹³ ${\displaystyle a_{\text{e}}}$ ${\displaystyle g}$

muón

Correcciones de un bucle del modelo estándar supersimétrico mínimo propuestas para el muón g −2 que involucran partículas más allá del modelo estándar: un neutralino y un smuón , y un chargino y un muón sneutrino respectivamente.

El momento magnético anómalo del muón se calcula de forma similar al del electrón. La predicción del valor del momento magnético anómalo del muón incluye tres partes: ^[8]

$${\displaystyle {\begin{aligned}a_{\mu }^{\mathrm {SM} }&=a_{\mu }^{\mathrm {QED} }+a_{\mu }^{\mathrm {EW} }+a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }\\&=0.001\,165\,918\,04(51)\end{aligned}}}$$

De los dos primeros componentes, representa los bucles de fotones y leptones, y los bucles del bosón W, el bosón de Higgs y el bosón Z; ambos pueden calcularse precisamente a partir de los primeros principios. El tercer término , representa bucles de hadrones; no se puede calcular con precisión sólo a partir de la teoría. Se estima a partir de mediciones experimentales de la relación entre secciones transversales hadrónicas y muónicas ( R ) en colisiones electrón - antielectrón (e ⁻ –e ⁺ ). En julio de 2017, la medición no está de acuerdo con el modelo estándar en 3,5  desviaciones estándar , ^[9] lo que sugiere que la física más allá del modelo estándar puede estar teniendo un efecto (o que los errores teóricos/experimentales no están completamente bajo control). Ésta es una de las discrepancias de larga data entre el modelo estándar y el experimento. ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {QED} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {EW} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }}$

El experimento E821 en el Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) estudió la precesión de muones y antimuones en un campo magnético externo constante mientras circulaban en un anillo de almacenamiento confinado. ^[10] El experimento E821 informó el siguiente valor promedio ^[8]

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

Un nuevo experimento en Fermilab llamado " Muon g −2 " que utiliza el imán E821 mejorará la precisión de este valor. ^[11] La toma de datos comenzó en marzo de 2018 y se espera que finalice en septiembre de 2022. ^[12] Un resultado provisional publicado el 7 de abril de 2021 ^[13] arroja resultados que, en combinación con las mediciones existentes, dan una estimación más precisa , superando el estándar. Predicción del modelo por 4,2 desviaciones estándar. Además, el experimento E34 en J-PARC planea comenzar su primera ejecución en 2024. ^[14] ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,40(54)}$ ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,61(41)}$

En abril de 2021, un grupo internacional de catorce físicos informó que mediante el uso de simulaciones de cromodinámica cuántica y electrodinámica cuántica ab-initio pudieron obtener una aproximación basada en la teoría que concordaba más con el valor experimental que con el valor basado en la teoría anterior que se basaba en Los experimentos de aniquilación de electrones y positrones. ^[15]

tau

La predicción del modelo estándar para el momento dipolar magnético anómalo de tau es ^[16]

$${\displaystyle a_{\tau }=0.001\,177\,21(5),}$$

^[17] ${\displaystyle a_{\tau }}$

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

Partículas compuestas

Las partículas compuestas suelen tener un enorme momento magnético anómalo. Los nucleones , protones y neutrones , ambos compuestos por quarks , son ejemplos. Los momentos magnéticos del nucleón son grandes y inesperados; El momento magnético del protón es demasiado grande para una partícula elemental, mientras que se esperaba que el momento magnético del neutrón fuera cero debido a que su carga era cero.

Ver también

• Momento dipolar eléctrico anómalo
• momento magnético del electrón
• Factor G (física) (momento magnético adimensional)
• Descomposición de Gordon

Referencias

1. Peskin, YO; Schroeder, DV (1995). "Sección 6.3". Una introducción a la teoría cuántica de campos . Addison-Wesley . ISBN 978-0-201-50397-5.
2. Schwinger, J. (1948). "Sobre la electrodinámica cuántica y el momento magnético del electrón" (PDF) . Revisión física . 73 (4): 416–417. Código bibliográfico : 1948PhRv...73..416S. doi : 10.1103/PhysRev.73.416 .
3. Laporta, S.; Remiddi, E. (1996). "El valor analítico del electrón ( g - 2 ) de orden α ³ en QED". Letras de Física B. 379 (1–4): 283–291. arXiv : hep-ph/9602417 . Código Bib : 1996PhLB..379..283L. doi :10.1016/0370-2693(96)00439-X.
4. Aoyama, T.; Hayakawa, M.; Kinoshita, T.; Nío, M. (2012). "Contribución de QED de décimo orden al electrón g -2 y un valor mejorado de la constante de estructura fina". Cartas de revisión física . 109 (11): 111807. arXiv : 1205.5368 . Código bibliográfico : 2012PhRvL.109k1807A. doi : 10.1103/PhysRevLett.109.111807. PMID  23005618. S2CID  14712017.
5. Aoyama, Tatsumi; Hayakawa, Masashi; Kinoshita, Toichiro; Nio, Makiko (1 de febrero de 2015). "Momento magnético anómalo de electrones de décimo orden: contribución de diagramas sin bucles leptónicos cerrados". Revisión física D. 91 (3): 033006. arXiv : 1412.8284 . Código bibliográfico : 2015PhRvD..91c3006A. doi : 10.1103/PhysRevD.91.033006. S2CID  119024825.
6. Nio, Makiko (3 de febrero de 2015). "Contribución de décimo orden de QED al momento magnético anómalo del electrón y un nuevo valor de la constante de estructura fina (PDF)" . Encuentro de Constantes Fundamentales 2015. Eltville, Alemania.
7. Ventilador, X.; Myers, TG; Sukra, MALO; Gabrielse, G. (13 de febrero de 2023). "Medición del momento magnético del electrón". Cartas de revisión física . 130 (7): 071801. arXiv : 2209.13084 . Código bibliográfico : 2023PhRvL.130g1801F. doi : 10.1103/PhysRevLett.130.071801. PMID  36867820. S2CID  123962197.
8. Patrignani, C.; Agashe, K. (2016). "Repaso de Física de Partículas" (PDF) . Física China C. 40 (10). Publicación IOP: 100001. Bibcode :2016ChPhC..40j0001P. doi :10.1088/1674-1137/40/10/100001. ISSN  1674-1137. S2CID  125766528.
9. Giusti, D.; Lubicz, V.; Martinelli, G.; Sanflippo, F.; Simula, S. (2017). "Extrañas y encantadoras contribuciones de HVP al muón (g - 2), incluidas correcciones QED con fermiones de masa retorcida". Revista de Física de Altas Energías . 2017 (10): 157. arXiv : 1707.03019 . Código Bib : 2017JHEP...10..157G. doi : 10.1007/JHEP10(2017)157 .
10. "La página de inicio del muón E821 (g-2)". Laboratorio Nacional de Brookhaven . Consultado el 1 de julio de 2014 .
11. "El experimento revolucionario de muones comenzará con el movimiento de 3200 millas de un anillo de almacenamiento de partículas de 50 pies de ancho" (Comunicado de prensa). Fermilab. 8 de mayo de 2013 . Consultado el 16 de marzo de 2015 .
12. "Estado actual del experimento Muon g-2 en Fermilab" (PDF) . indico.cern.ch . Consultado el 28 de septiembre de 2020 .
13. Abi, B.; et al. (abril de 2021). "Medición del momento magnético anómalo del muón positivo a 0,46 ppm". Cartas de revisión física . 126 (14): 141801. arXiv : 2104.03281 . Código bibliográfico : 2021PhRvL.126n1801A. doi : 10.1103/PhysRevLett.126.141801 . PMID  33891447.
14. G. Colangelo, M. Hoferichter, M. Procura y P. Stoffer, JHEP 04, 161 (2017), arXiv:1702.07347 [hep-ph].
15. Borsany, Szabolcs; et al. (7 de abril de 2021). "Contribución hadrónica líder al momento magnético del muón de la red QCD". Naturaleza . 593 (7857): 51–55. arXiv : 2002.12347 . Código Bib :2021Natur.593...51B. doi :10.1038/s41586-021-03418-1. PMID  33828303. S2CID  221151004.
16. Eidelman, S.; Passera, M. (30 de enero de 2007). "TEORÍA DEL MOMENTO MAGNÉTICO ANÓMALO DEL LEPTON τ". Letras de Física Moderna A. 22 (3): 159-179. arXiv : hep-ph/0701260 . Código Bib : 2007MPLA...22..159E. doi :10.1142/S0217732307022694. ISSN  0217-7323. S2CID  18000680.
17. La colaboración DELPHI (junio de 2004). "Estudio de la producción de pares tau en colisiones fotón-fotón en LEP y límites de los momentos electromagnéticos anómalos del leptón tau". La revista física europea C. 35 (2): 159-170. arXiv : hep-ex/0406010 . Código Bib : 2004EPJC...35..159D. doi :10.1140/epjc/s2004-01852-y. ISSN  1434-6044. S2CID  195317696.

Bibliografía

• Serguéi Vonsovsky (1975). Magnetismo de partículas elementales. Editorial Mir.

enlaces externos

• Descripción general del experimento g−2
• Kusch, P.; Foley, HM (1948). "El momento magnético del electrón". Revisión física . 74 (3): 250–263. Código bibliográfico : 1948PhRv...74..250K. doi : 10.1103/PhysRev.74.250.
• Aoyama, T.; et al. (2020). "El momento magnético anómalo del muón en el modelo estándar". Informes de Física . 887 : 1–166. arXiv : 2006.04822 . Código Bib : 2020PhR...887....1A. doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .