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,一般由帶圈的費曼圖貢獻。
對應樹狀費曼圖的「狄拉克」磁矩(一般被視為經典結果)可由狄拉克方程式求得。一般以g因子表示;狄拉克方程式預測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:
電子
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:
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系數的計算到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]:
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)。
緲子
緲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。緲子的異常磁矩預測值包含三個部份[6]:
- 。
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-)碰撞時重子轉化成緲子所得的實驗比值(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實驗研究緲子與反緲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]:
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「繆子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]。該實驗2017年開始取數,美國中部時間2021年4月7日公佈第一次公佈結果[11]:
實驗值與標準模型預言的理論值相差4.2σ,這種偏差來自統計漲落的機率為1/40000。這暗示了可能存在的超越標準模型的物理學。
複合粒子
參考文獻
外部連結
參見
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