비정상 자기 쌍극자 모멘트

양자 전기역학에서 입자의 비정상 자기 쌍극자 모멘트()는 그 입자의 자기 모멘트에 대한 루프를 포함한 파인만 도형으로 표현되는 양자역학 효과의 기여분이다. 자기 쌍극자 모멘트라고도 불리는 자기 모멘트는 자기장의 세기를 측정하는 척도이다.

트리 레벨 파인만 도형(고전적인 결과로 생각할 수 있음)에 해당하는 "디랙" 자기 모멘트는 디랙 방정식에서 계산할 수 있다. 이는 일반적으로 G-상수로 표현되며, 디랙 방정식은 를 예측한다. 전자와 같은 입자의 경우, 이 고전적인 결과는 관측된 값과 퍼센트의 작은 부분만큼 차이가 난다. 이 차이가 비정상 자기 모멘트이며, 로 표기하고 다음과 같이 정의된다.

 전자 
섬네일|right|페르미온의 자기 쌍극자 모멘트에 대한 1-루프 보정

전자의 비정상 자기 모멘트에 대한 1-루프 기여분은 인접 다이어그램에 표시된 꼭짓점 함수를 계산하여 얻어지며, 이는 첫 번째이자 가장 큰 양자역학적 보정이다. 계산은 비교적 간단하며 1-루프 결과는 다음과 같다.

여기서 는 미세 구조 상수이다. 이 결과는 줄리언 슈윙거에 의해 1948년에 처음 발견되었으며 그의 묘비에 새겨져 있다. 2016년 기준으로, 전자의 비정상 자기 모멘트에 대한 QED 공식의 계수는 까지 해석적으로 알려져 있으며  차수까지 계산되었다.

QED 예측은 10개 이상의 유효숫자까지 실험적으로 측정된 값과 일치하여, 전자의 자기 모멘트를 물리학 역사상 가장 정확하게 검증된 예측 중 하나로 만들고 있다. (자세한 내용은 QED 정밀 실험을 참조)

현재 실험값과 불확실성은 다음과 같다.

이 값에 따르면, 는 약 100억분의 1 (1010)의 정확도로 알려져 있다. 이를 위해서는 를 약 10조분의 1 (1013)의 정확도로 측정해야 했다.

 뮤온 
섬네일|300px|최소 초대칭 표준 모형이 표준 모형을 넘어선 입자를 포함하는 뮤온 g-2에 대한 1-루프 보정: 각각 뉴트랄리노와 스뮤온, 그리고 차지노와 뮤온 스뉴트리노

뮤온의 비정상 자기 모멘트는 전자와 유사한 방식으로 계산된다. 뮤온 비정상 자기 모멘트 값에 대한 예측은 세 부분으로 구성된다.

첫 두 구성 요소 중 는 광자와 렙톤 루프를, 는 W 보손, 힉스 보손 및 Z 보손 루프를 나타낸다. 둘 다 첫 번째 원칙에서 정확하게 계산할 수 있다. 세 번째 항인 은 하드론 루프를 나타낸다. 이는 이론만으로는 정확하게 계산할 수 없다. 이는 전자-양전자 (–) 충돌에서 하드론 대 뮤온 단면적 비율(R)의 실험 측정값으로부터 추정된다. 2017년 7월 기준으로, 측정값은 표준 모형과 3.5 표준 편차만큼 불일치하며, 이는 표준 모형 이후의 물리학이 영향을 미치고 있거나(또는 이론적/실험적 오류가 완전히 통제되지 않고 있음을 시사한다. 이는 표준 모형과 실험 사이의 오래된 불일치 중 하나이다.

브룩헤이븐 국립연구소(BNL)의 E821 실험은 뮤온과 반뮤온이 구속 저장 링을 순환할 때 일정한 외부 자기장에서 세차 운동을 연구했다. E821 실험은 다음 평균값을 보고했다.

2024년, 페르미 국립 가속기 연구소 협력단 "뮤온 g-2"는 2018년 데이터 세트를 통해 이전 측정값에 비해 이 값의 정확도를 두 배로 높였다. 실험 데이터는 2019~2020년 측정 기간 동안 수집되었다. 독립적인 값은 로 나왔으며, 이는 브룩헤이븐 국립연구소의 측정값과 결합하여 세계 평균 를 산출한다.

2021년 4월, 14명의 물리학자들로 구성된 국제 그룹은 아브 이니티오 양자 색역학 및 양자 전기역학 시뮬레이션을 사용하여 전자-양전자 소멸 실험에 의존했던 이전 이론 기반 값보다 실험값과 더 잘 일치하는 이론 기반 근사치를 얻을 수 있었다고 보고했다.

 타우 
타우의 비정상 자기 쌍극자 모멘트에 대한 표준 모형 예측은

반면 에 대한 가장 잘 측정된 경계는

CERN LHC의 CMS 실험에서 보고되었다.

 복합 입자 
복합 입자는 종종 거대한 비정상 자기 모멘트를 가진다. 쿼크로 구성된 핵자인 양성자와 중성자가 그 예이다. 핵자 자기 모멘트는 모두 크고 예상치 못했던 값이다. 양성자의 자기 모멘트는 기본 입자로서는 너무 크고, 중성자의 자기 모멘트는 전하가 없기 때문에 0으로 예상되었다.

 같이 보기 
 비정상 전기 쌍극자 모멘트
 전자 자기 모멘트
 G-상수
 고든 분해

 각주 

 참고 문헌 


 외부 링크 

 g−2 실험 개요



분류:양자장론
분류:표준 모형
분류:양자 전기역학