在量子電動力學 中,一個粒子的異常磁矩 (英語:anomalous magnetic moment )就是除去該粒子的磁矩 (又稱磁偶極矩,用於量度磁源的強度)之外,從量子力學 而來的額外影響,一般由带圈的費曼圖 贡献。
對應樹狀費曼圖 的“狄拉克”磁矩 (一般被視為經典結果)可由狄拉克方程 求得。一般以g因子 表示;狄拉克方程預測g=2。就例如電子 的粒子而言,其觀測值與經典結果相差約千分之幾。這個差就是異常磁矩,以a表示,其定義如下:
a
=
g
− − -->
2
2
{\displaystyle a={\frac {g-2}{2}}}
電子
對費米子磁矩的單迴圈修正
異常磁矩的單迴圈修正對應最早且最大的量子力學修正,而電子的異常磁矩單迴圈修正可由右圖頂點函數 的計算所得。這個計算還是相對地直接的[ 1] ,單迴圈結果為:
a
=
α α -->
2
π π -->
≈ ≈ -->
0.0011614
{\displaystyle a={\frac {\alpha }{2\pi }}\approx 0.0011614}
其中α為精細結構常數 。這個結果最早由朱利安·施溫格 於1948年得出[ 2] ,而這個數也被銘刻在他的墓碑之上。電子異常磁矩的量子電動力學公式係數的計算到2009年已經用到α4 [ 3] ,而且已知解析值已逹到α3 [ 4] 。量子電動力學的預測值與實驗觀測值在超過10位有效數字 時仍然一致,因此電子異常磁矩是物理學 史上確認準確性最高的常數。
現時的實驗與誤差為[ 5] :
a
=
0.00115965218073
(
28
)
{\displaystyle a=0.00115965218073(28)}
根據以上的數值,a的已知準確度大概為十億分之一(10-9 )。要達到這樣的準確度,量度g時的準確度需達千億分之一(10-12 )。
μ子
μ子g-2的單迴圈最小超對稱標準模型 修正,分別內含超中性子 和超μ子 (左),以及超荷子 和超μ子超中微子 。
μ子 的異常磁矩計算方式與電子的相近,它的量度可以作為標準模型 的精密試驗。μ子的異常磁矩預測值包含三個部份[ 6] :
α α -->
μ μ -->
S
M
=
α α -->
μ μ -->
Q
E
D
+
α α -->
μ μ -->
E
W
+
α α -->
μ μ -->
H
a
d
r
o
n
{\displaystyle \alpha _{\mu }^{\mathrm {SM} }=\alpha _{\mu }^{\mathrm {QED} }+\alpha _{\mu }^{\mathrm {EW} }+\alpha _{\mu }^{\mathrm {Hadron} }}
。
首兩個部份分別代表電子和光子迴圈,以及W及Z玻色子 迴圈,而它們可以通過第一原理的計算準確地得知。第三部分代表強子 迴圈,而這部份不能單獨通過理論來準確得知。它需要使用通過量度電子 ─反電子 (e+ e- )碰撞時重子轉化成μ子所得的實驗比值(R )來估算。實驗值與標準模型預測值的不確定度在2006年時超過標準差 的3.6倍[ 7] ,意味着超越標準模型的物理學 可能對此有所影響(或是理論/實驗誤差並不是完全受到控制)。這是標準模型與實驗間其中一項由來已久的差異。
布魯克黑文國家實驗室 的E831實驗研究μ子與反μ子在不變外加磁場下的進動 ,實驗中粒子環繞密閉的貯存環運動[ 8] 。
E821實驗對外公佈的平均值為[ 9] :
a
=
g
− − -->
2
2
=
0.00116592091
(
54
)
(
33
)
{\displaystyle a={\frac {g-2}{2}}=0.00116592091(54)(33)}
其中第一個誤差是統計誤差,第二個是系統誤差[ 6] 。
費米國立加速器實驗室 有一項新的實驗,叫“缪子g-2 ”,他們計劃使用E821實驗用的磁鐵來改進這個數值的準確度[ 10] 。该实验2017年开始取数,美国中部时间2021年4月7日公布第一次公布结果[ 11] :
a
=
g
− − -->
2
2
=
0.00116592061
(
41
)
{\displaystyle a={\frac {g-2}{2}}=0.00116592061(41)}
实验值与标准模型预言的理论值相差4.2σ,这种偏差来自统计涨落的概率为1/40000。这暗示了可能存在的超越标准模型的物理学 。
複合粒子
複合粒子 的異常磁矩通常都相當大。由夸克 組成且帶電荷的質子如此,而帶中性電荷的中子 也是如此。
參考文獻
引用
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^ First results from Fermilab's Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics . symmetry magazine. [2021-04-07 ] . (原始内容存档 于2021-04-20) (英语) .
来源
书籍
期刊文章
外部連結
參見