Momento dipolar magnético anómalo

Diferencias en las propiedades magnéticas de la teoría cuántica de campos con respecto a las esperadas a partir de las teorías clásicas

En electrodinámica cuántica , el momento magnético anómalo de una partícula es una contribución de los efectos de la mecánica cuántica , expresados ​​por 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 de "Dirac" , correspondiente a los diagramas de Feynman de tres niveles (que pueden considerarse como el resultado clásico), se puede calcular a partir de la ecuación de Dirac . Por lo general, 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 (que corresponde 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: donde es la constante de estructura fina . Este resultado fue encontrado por primera vez por Julian Schwinger en 1948  ^[2] y está grabado en su lápida . A partir de 2016, los coeficientes de la fórmula QED para el momento magnético anómalo del electrón se conocen analíticamente hasta ^[3] y se han calculado hasta el orden : ^{[4] [5] [6]} $${\displaystyle a_{\text{e}}={\frac {\alpha }{2\pi }}\approx 0.001\,161\,4,}$$ ${\displaystyle \alpha }$ ${\displaystyle \alpha ^{3}}$  ${\displaystyle \alpha ^{5}}$ $${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,181\,643(764)}$$

La predicción de QED coincide 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 . (Ver Pruebas de precisión de QED para más detalles).

El valor experimental actual y la incertidumbre son: ^[7] Según este valor, se conoce con una precisión de alrededor de 1 parte en 10 mil millones (10 ¹⁰ ). Esto requirió una medición con una precisión de alrededor de 1 parte en 10 billones (10 ¹³ ). $${\displaystyle a_{\text{e}}=0.001\,159\,652\,180\,59(13)}$$ ${\displaystyle a_{\text{e}}}$ ${\displaystyle g}$

Muón

Propuestas de correcciones de un bucle del Modelo Estándar Supersimétrico Mínimo al 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 de bosones W, bosón de Higgs y bosón Z; ambos pueden calcularse con precisión a partir de los primeros principios. El tercer término, , representa los bucles de hadrones; no puede calcularse con precisión a partir de la teoría únicamente. Se estima a partir de mediciones experimentales de la relación entre las secciones eficaces hadrónicas y muónicas ( R ) en electrón – antielectrón ( ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {QED} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {EW} }}$ ${\displaystyle a_{\mu }^{\mathrm {hadron} }}$
mi⁻
–
mi⁺
) colisiones. A julio de 2017, la medición discrepa 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). Esta es una de las discrepancias de larga data entre el Modelo Estándar y el experimento.

El experimento E821 del Laboratorio Nacional de Brookhaven (BNL) estudió la precesión del muón y el antimuón en un campo magnético externo constante mientras circulaban en un anillo de almacenamiento de confinamiento. ^[10] El experimento E821 informó el siguiente valor promedio: ^[8] $${\displaystyle a_{\mu }=0.001\;165\;920\;9(6).}$$

En 2024, la colaboración de Fermilab " Muon g −2 " duplicó la precisión de este valor con respecto a las mediciones anteriores del grupo del conjunto de datos de 2018. Los datos para el experimento se recopilaron durante las ejecuciones de 2019-2020. El valor independiente fue de (0,21 ppm), que, combinado con las mediciones del Laboratorio Nacional de Brookhaven, arroja un promedio mundial de (0,19 ppm). ^[11] ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,57(25)}$ ${\displaystyle a_{\mu }=0.001\,165\,920\,59(22)}$

En abril de 2021, un grupo internacional de catorce físicos informó que, mediante el uso de simulaciones de cromodinámica cuántica ab-initio y electrodinámica cuántica, 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 electrón-positrón. ^[12]

Tauro

La predicción del Modelo Estándar para el momento dipolar magnético anómalo de tau es ^[13] mientras que el mejor límite medido para es ^[14] $${\displaystyle a_{\tau }=0.001\,177\,21(5),}$$ ${\displaystyle a_{\tau }}$ $${\displaystyle -0.052<a_{\tau }<+0.013.}$$

Partículas compuestas

Las partículas compuestas suelen tener un momento magnético anómalo enorme. Los nucleones , los protones y los neutrones , ambos compuestos de quarks , son ejemplos. Los momentos magnéticos de los nucleones son grandes y fueron 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 es cero.

Véase también

• Momento dipolar eléctrico anómalo
• Momento magnético del electrón
• factor g (física)
• Descomposición de Gordon

Referencias

1. Peskin, ME; Schroeder, DV (1995). "Sección 6.3". 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) . Physical Review . 73 (4): 416–417. Bibcode :1948PhRv...73..416S. doi : 10.1103/PhysRev.73.416 .
3. Laporta, S.; Remiddi, E. (1996). "El valor analítico del electrón ( g − 2 ) en el orden α ³ en QED". Physics Letters B . 379 (1–4): 283–291. arXiv : hep-ph/9602417 . doi : 10.1016 /0370-2693(96)00439-X.
4. Aoyama, T.; Hayakawa, M.; Kinoshita, T.; Nio, M. (2012). "Contribución de la electrodinámica cuántica de décimo orden al electrón g −2 y un valor mejorado de la constante de estructura fina". Physical Review Letters . 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 del electrón de décimo orden: contribución de diagramas sin bucles leptónicos cerrados". Physical Review 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 la QED al momento magnético anómalo del electrón y un nuevo valor de la constante de estructura fina (PDF) . Reunión de Constantes Fundamentales 2015. Eltville, Alemania.
7. Fan, X.; Myers, TG; Sukra, BAD; Gabrielse, G. (13 de febrero de 2023). "Medición del momento magnético del electrón". Physical Review Letters . 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). "Revisión de física de partículas" (PDF) . Chinese Physics C . 40 (10). IOP Publishing: 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). "Contribuciones extrañas y encantadoras del HVP al muón (g − 2) incluyendo correcciones QED con fermiones de masa torcida". Journal of High Energy Physics . 2017 (10): 157. arXiv : 1707.03019 . Código Bibliográfico :2017JHEP...10..157G. doi : 10.1007/JHEP10(2017)157 .
10. "La página de inicio del muón E821 (g−2)". Brookhaven National Laboratory . Consultado el 1 de julio de 2014 .
11. "Informe detallado sobre la medición del momento magnético anómalo del muón positivo a 0,20 ppm". Physical Review D . Fermilab. 8 de agosto de 2024 . Consultado el 16 de marzo de 2015 .
12. Borsany, Szabolcs; et al. (7 de abril de 2021). "Contribución hadrónica líder al momento magnético del muón a partir de QCD en red". Nature . 593 (7857): 51–55. arXiv : 2002.12347 . Bibcode :2021Natur.593...51B. doi :10.1038/s41586-021-03418-1. PMID  33828303. S2CID  221151004.
13. Eidelman, S.; Passera, M. (30 de enero de 2007). "TEORÍA DEL MOMENTO MAGNÉTICO ANÓMALO DEL LEPTON τ". Modern Physics Letters A . 22 (3): 159–179. arXiv : hep-ph/0701260 . Código Bibliográfico :2007MPLA...22..159E. doi :10.1142/S0217732307022694. ISSN  0217-7323. S2CID  18000680.
14. Colaboración DELPHI (junio de 2004). "Estudio de la producción de pares tau en colisiones fotón-fotón en LEP y límites en los momentos electromagnéticos anómalos del leptón tau". The European Physical Journal C . 35 (2): 159–170. arXiv : hep-ex/0406010 . Código Bibliográfico :2004EPJC...35..159D. doi :10.1140/epjc/s2004-01852-y. ISSN  1434-6044. S2CID  195317696.

Bibliografía

• Sergei 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". Physical Review . 74 (3): 250–263. Bibcode :1948PhRv...74..250K. doi :10.1103/PhysRev.74.250.
• Aoyama, T.; et al. (2020). "El momento magnético anómalo del muón en el Modelo Estándar". Physics Reports . 887 : 1–166. arXiv : 2006.04822 . Bibcode :2020PhR...887....1A. doi : 10.1016/j.physrep.2020.07.006 .