Momento dipolar magnético anómalo - Anomalous magnetic dipole moment

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 a nivel de árbol (que se puede considerar como el resultado clásico), se puede calcular a partir de la ecuación de Dirac . Generalmente se expresa en términos del factor g ; predice la ecuación de Dirac . 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 al 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 y el resultado de un ciclo es:

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

donde es constante la estructura fina . Este resultado fue encontrado por primera vez por Julian Schwinger en 1948 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   y se han calculado hasta el momento : ${\ Displaystyle \ alpha}$${\ Displaystyle \ alpha ^ {3}}$${\ Displaystyle \ alpha ^ {5}}$

${\ Displaystyle a_ {e} = 0,001 \; 159 \; 652 \; 181 \; 643 (764)}$

La predicción QED concuerda con el valor medido experimentalmente en más de 10 cifras significativas, lo que hace que el momento magnético del electrón sea la predicción verificada con mayor precisión en la historia de la física . (Consulte las pruebas de precisión de QED para obtener más detalles).

El valor experimental y la incertidumbre actuales son:

${\ Displaystyle a_ {e} = 0,001 \; 159 \; 652 \; 180 \; 73 (28)}$

De acuerdo con este valor, se conoce con una precisión de alrededor de 1 parte en mil millones (10 ⁹ ). Esto requirió medir con una precisión de alrededor de 1 parte en 1 billón (10 ¹² ). ${\ Displaystyle a_ {e}}$${\ Displaystyle g}$

Muon

Se propusieron correcciones de un bucle del modelo estándar supersimétrico mínimo propuesto para el muón g- 2 que implican partículas más allá del modelo estándar: un neutralino y un smuon , y un chargino y un muón sneutrino, respectivamente.

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

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

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 con precisión a partir de los primeros principios. El tercer término , representa bucles de hadrones; no se puede calcular con precisión solo 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 ( ). A partir de julio de 2017, la medición no está de acuerdo con el modelo estándar por 3.5  desviaciones estándar , 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}}}$${\ Displaystyle e ^ {-} e ^ {+}}$

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

${\ Displaystyle a _ {\ mu} = 0,001 \; 165 \; 920 \; 9 (6).}$

Un nuevo experimento en Fermilab llamado " Muon g -2 " utilizando el imán E821 mejorará la precisión de este valor. La toma de datos comenzó en marzo de 2018 y se espera que finalice en septiembre de 2022. Un resultado intermedio publicado el 7 de abril de 2021 arroja resultados que, en combinación con las mediciones existentes, dan una estimación más precisa , superando la predicción del Modelo Estándar en 4.2 desviaciones estándar. Además, el experimento E34 en J-PARC planea comenzar su primera ejecución en 2024. ${\ 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 ab-initio y electrodinámica cuántica pudieron obtener una aproximación basada en la teoría que concordaba más con el valor experimental que con el valor teórico anterior que dependía sobre los experimentos de aniquilación de electrones y positrones.

Tau

La predicción del modelo estándar para el momento dipolar magnético anómalo de tau es

${\ Displaystyle a _ {\ tau} = 0,001 \; 177 \; 21 (5)}$ ,

mientras que el mejor destino medido es ${\ Displaystyle a _ {\ tau}}$

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

Partículas compuestas

Las partículas compuestas a menudo tienen un gran momento magnético anómalo. Esto es cierto para el protón , que está formado por quarks cargados , y el neutrón , que tiene un momento magnético aunque es eléctricamente neutro.

Ver también

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

Notas

Bibliografía

• Sergei Vonsovsky (1975). Magnetismo de partículas elementales . Editores Mir.

enlaces externos

• Resumen 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. doi : 10.1016 / j.physrep.2020.07.006 .