Muon-maskine laver et magnetisk milepælskort

Muoner er mystiske, og videnskabsmænd dykker dybt ned i partiklen for at få styr på en egenskab, der kan gøre den – og universet – lidt mindre mystisk.

Ligesom elektroner – myonernes lettere søskende – er de partikler med en slags naturlig indre magnet. De har også et vinkelmomentum kaldet spin, lidt som en snurretop. Kombinationen af ​​en partikels spin og indre magnet kaldes det gyromagnetiske forhold, døbt "g, " men tidligere forsøg på at måle det for myoner har kastet spændende overraskelser op.

Målet med Muon g-2-eksperimentet på Fermilab er at måle det mere præcist end nogensinde før.

For at nå disse bemærkelsesværdige niveauer af præcision, videnskabsmænd er nødt til at holde meget omhyggelig øje med nogle få dele af eksperimentet, en af ​​dem er, hvor stærkt dens magnetfelt er. Holdet har målt og justeret magnetfeltet i flere måneder og er nu meget tæt på at opnå et stabilt felt, før eksperimenter kan begynde ordentligt.

"Vi er i eksperimentets idriftsættelsesperiode lige nu, hvor vi dybest set lærer, hvordan vores systemer opfører sig og sørger for, at alt fungerer korrekt, før vi går over i stabil drift, " sagde David Flay, en videnskabsmand fra University of Massachusetts, der arbejder på kalibrering af magnetfeltet for Muon g-2.

Muon mysterium

Muon g-2 følger op på et spændende resultat set på Brookhaven National Laboratory i New York i begyndelsen af ​​2000'erne, da eksperimentet lavede observationer af myoner, der ikke passede med teoretiske forudsigelser. Eksperimentets cirkulære magnet med en diameter på 15 meter, kaldet en opbevaringsring, blev sendt til Illinois over land og hav i 2013, og målingen udføres nu hos Fermilab med fire gange så stor præcision.

Da Brookhaven udførte eksperimentet, resultatet var overraskende:muonværdien af ​​g afveg væsentligt fra, hvad beregningerne sagde, den skulle være, og ingen er helt sikker på hvorfor. Det er muligt, at selve eksperimentet var fejlbehæftet, og resultatet var falsk, men det åbner også døren til muligheden for eksotiske nye partikler og teorier. Med sin firedobling i præcision, Muon g-2 vil kaste mere lys over situationen.

For at måle g, stråler af myoner, der cirkulerer inde i eksperimentets lagerring, udsættes for et intenst magnetfelt – omkring 30, 000 gange styrken af ​​Jordens naturlige felt. Dette får myonerne til at rotere rundt om magnetfeltet, eller præcess, på en bestemt måde. Ved at måle denne præcession, det er muligt præcist at udtrække værdien af ​​g.

Styrken af ​​det magnetiske felt, som myonerne udsættes for, påvirker direkte, hvordan de præcesserer, så det er helt afgørende at lave ekstremt præcise målinger af feltstyrken og bevare dens ensartethed i hele ringen – ikke en let opgave.

Hvis Muon g-2 bakker op om Brookhavens resultat, det ville være en kæmpe nyhed. Standardmodellen ville kræve nytænkning, og den ville åbne et helt nyt kapitel af partikelfysik.

En førende teori til at forklare de spændende resultater er nye former for virtuelle partikler, kvantefænomener, der flyver ind og ud af tilværelsen, selv i et ellers tomt vakuum. Alle kendte partikler gør dette, men deres samlede effekt tager ikke helt højde for Brookhavens resultater. Forskere forudser derfor en eller flere nye, uopdagede slags, hvis yderligere flygtige tilstedeværelse kunne give de mærkelige muon-observationer.

"Den største udfordring hidtil har været at håndtere det uventede, " sagde Joe Grange, videnskabsmand ved Argonne National Laboratory, der arbejder på Muon g-2's magnetfelt. "Når et mysterium dukker op, som skal løses relativt hurtigt, tingene kan blive hektiske. Men det er også en af ​​de sjovere dele af vores arbejde."

Udforsker feltet

De magnetiske feltstyrkemålinger foretages ved hjælp af små, følsomme elektroniske enheder kaldet sonder. Tre typer af sonder – faste, trolley og plunging – arbejd sammen om at opbygge et 3D-kort over magnetfeltet inde i eksperimentet. Marken kan glide over tid, og ting som temperaturændringer i eksperimentets bygning kan subtilt påvirke ringens form, så omkring 400 faste sonder er placeret lige over og under lagerringen for at holde konstant øje med marken indeni. Fordi disse sonder altid holder øje, forskerne ved, hvornår og hvor meget de skal justere feltet for at holde det ensartet.

Til disse målinger, og med få dages mellemrum, når eksperimenterne er sat på pause, og myonstrålen stoppes, en 0,5 meter lang, buet cylindrisk trolley på skinner indeholdende 17 sonder sendes rundt i ringen for at tage et præcist feltkort i området, hvor myonerne er opbevaret. Hver bane tager et par timer. Trolleyproberne er selv kalibreret af en dykprobe, som kan bevæge sig ind og ud af sit eget kammer på et bestemt sted i ringen, når det er nødvendigt.

De faste sonder har været installeret og fungeret siden efteråret 2016, mens de 17 trolleysonder for nylig er blevet fjernet, opgraderet og geninstalleret.

"Sonderne er inde i ringen, hvor vi ikke kan se dem, " sagde Flay. "Så at matche deres positioner for at få en nøjagtig kalibrering mellem dem er ikke en nem ting at gøre."

Teamet udviklede nogle innovative løsninger til at tackle dette problem, inklusive et stregkode-lignende system inde i ringen, som vognen scanner for at videresende, hvor den er, når den bevæger sig rundt.

Global g-2

Muon g-2 er et internationalt samarbejde med Fermilab som vært. Sammen med forskere fra Fermilab, Argonne, og Brookhaven, flere universiteter i hele USA arbejder med internationale samarbejdspartnere fra lande så vidtspændende som Sydkorea, Italien og Storbritannien. I alt, omkring 30 institutioner og 150 personer arbejder på forsøget.

"Det er den detaljerede indsats fra Argonne, University of Washington, University of Massachusetts og University of Michigan teams, der har produceret disse pålidelige, kvalitetsværktøjer, der giver os et komplet billede af magnetfeltet, sagde Brendan Kiburg, Fermilab-forsker arbejder på Muon g-2. "Det har krævet mange års omhyggeligt arbejde."

Teamet arbejder på at afslutte den vigtigste feltstyrkemåling af idriftsættelsesprocessen i begyndelsen af ​​2018, før man fortsætter med at analysere præcis, hvordan myonerne oplever det genererede felt. Forsøget er planlagt til at starte fuldt ud i februar 2018.