ミューオンg-2実験では、ミューオン磁気モーメント測定で標準模型からの逸脱が見られました

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ミューオンg-2実験では、ミューオン磁気モーメント測定で標準模型からの逸脱が見られました
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Anonim
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ミューオンの異常磁気モーメントの値を高精度に測定することになっているフェルミ研究所でのミューオンg-2実験は、最初の結果を示しました。結果の値は、ブルックヘブン国立研究所での同様の実験E821の結果と一致し、2つの測定値は、統計精度4、2σで標準モデルの予測とは異なります。測定誤差がさらに減少するという理論からのそのような逸脱は、NewPhysicsの枠組み内にまだ発見されていない粒子または力が存在することを示している可能性があります。科学者たちはセミナーで最初の結果について話し、実験の詳細を記した記事がジャーナルPhysicalReviewLettersに掲載されました。

標準模型のほとんどの粒子は独自の磁気モーメントを持っています。つまり、磁気特性の観点から、このような粒子は大まかに近似すると小さな磁石と見なすことができます。固有の磁気モーメントの存在は、主に粒子のスピンによるものです。電子の場合、その値は1928年に高精度で予測されました。これらの予測によれば、2に等しいいわゆるg因子は、スピン場に関する電子の磁気モーメントの表現に現れるはずです。この相互作用により、gファクターの実際の値が1000分の1に変化しますが、実験で高精度に測定されたのはまさにこの偏差です。

同様の考慮事項が、電子の207倍の重さの別のレプトンであるミューオンにも当てはまります。しかし、この場合、自分自身の磁気モーメントへの電磁相互作用の寄与に自分自身を制限することはできません。ミューオンの大きな質量が、その磁場が大規模な場との相互作用、特に真空中で連続的に生まれて消滅する仮想の大規模な粒子のペアとの相互作用によって影響を受け始めるという事実につながります。ファインマン図の言語では、このような一次相互作用は、1ループ図を使用して記述されます。標準模型は、それに含まれるすべての粒子を考慮に入れて、ミューオンの磁気モーメントへのこれらのプロセスの寄与を予測することを可能にします。したがって、物理学者は、ミューオンの異常磁気モーメント(ミューオンと2のgファクターの差を半分で割ったものとして定義される)の測定に関心を持っていました。これは、理論的予測からの測定値の偏差がミューオンを示している可能性があるためです。標準模型に知られていない、またはこの力の理論の未知のものを通して、巨大な粒子と相互作用します。したがって、期待値からのミューオンの異常磁気モーメントの偏差は、実際に新しい物理学の存在を確認するでしょう。

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ミューオンの磁気モーメントに対する量子電気力学(最初の)と質量粒子(残り)の寄与を説明する1ループファインマン図

ミューオンの異常磁気モーメントを測定する最初の正確な実験はCERNで実施されましたが、2006年に公開されたブルックヘブン国立研究所でのE821実験の最終結果は大成功を収めました。その時点で測定された値は、誤差を考慮して、3、7σの統計精度で標準モデルの最新の予測とは異なりました。これはすでに非常に顕著な偏差を示しています。しかし、そのような精度は公式の発見には十分ではなく、フェルミ研究所で同様の設備を作成することが決定されました。そこでは、高密度の偏光ミューオンビームを作成する方法をすでに知っていました。これが、ミューオンg-2実験が最新のバリエーションで登場した方法であり、前任者から方法論だけでなく、設置の主要部分も継承しました。超伝導磁石リングがロングアイランドからシカゴに輸送されました。

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実験装置ミューオンg-2

現在、ミューオンg-2実験の参加者、米国、イタリア、ドイツ、中国、英国、およびロシアのJINRやバドカーINPを含むその他の国の研究所の物理学者が、 E821の結果を確認したミューオン:得られた値は、ブルックヘブン国立研究所による測定と誤差の範囲内で一致し、3、3σの統計精度で標準モデルの予測から逸脱しています。相対測定誤差は0.46ppmであり、上記の2つの結果を合わせると、0.35 ppmの誤差の値が得られ、統計精度4.2σの理論的予測とは異なります。これは、そのようなデータが約4万分の1の確率で標準モデルに適合することを意味します。

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測定結果と標準モデルの予測からの偏差

実験自体は、E821と同様に、異常磁気モーメントを持つ粒子が磁場に入ると、かざぐるまのように歳差運動を開始するという事実に基づいています。さらに、この歳差運動の周波数は、粒子の異常磁気モーメントの大きさに直接依存します。ミューオン自体は不安定な粒子であり、その崩壊の過程で電子が生まれ、その脱出の方向は空間内のミューオンの向きに依存します。実験者はこれを利用しました。彼らは、3.1ギガエレクトロンボルトのエネルギーを持つミューオンの偏光ビームを1.45テスラの非常に安定した磁場を持つリングに発射し、ミューオン崩壊中の電子放出の分布を測定しました。物理学者は、核磁気共鳴の効果を使用して磁場自体を監視し、水の保護で分離された陽子の振る舞いを観察しました。この技術により、測定値を継続的に校正し、得られた結果のそのような相対精度を達成することが可能になりました。

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歳差運動するミューオンの崩壊中に生成された陽電子の登録における振動

提示された分析の過程で、実験の最初の実行のデータのみが使用され、その後、セットアップが改善されました。ミューオンビームを磁石に供給するシステムの安定性が向上し、温度が上昇しました。磁場の振動に影響を与える変動が減少しました。科学者によると、これはすべて、次のセッションの過程で、標準模型の予測からの結果の偏差の統計的精度が向上することを示唆しています。これは、物理学者が新しい物理学の存在の証拠を持っていることを意味します。実験者によると、得られた結果は、理論家に、レプトンとの強い相互作用を持つ新しい場と粒子を備えた標準模型の拡張を作成するように促すはずです。

磁気モーメントはミューオンだけでなく高精度で測定されます。先ほど、陽子と反陽子の磁気モーメントの違いを物理学者が高精度で測定する方法についてお話しました。そして、標準模型からの逸脱は、B中間子を含むプロセスでますます見られます。

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