Muoner spinder fortællinger om uopdagede partikler

Forskere ved U.S. Department of Energys (DOE) nationale laboratorier samarbejder om at teste en magnetisk egenskab ved myonen. Deres eksperiment kunne pege på eksistensen af ​​fysik ud over vores nuværende forståelse, inklusive uopdagede partikler.

Eksperimentet følger et, der begyndte i 1999 ved DOE's Brookhaven National Laboratory, hvor forskere målte muonens spinpræcession - dvs. hastigheden, hvormed dens spin ændrer retning - for at være forskellig fra de teoretiske forudsigelser. Forskere fra Argonne National Laboratory og Fermi National Accelerator Laboratory, sammen med samarbejdspartnere fra mere end 25 andre institutioner, genskaber eksperimentet med meget højere præcision for at bekræfte eller modbevise de tidligere tidligere resultater.

Myonen er ligesom elektronens (meget) storebror; de har samme afgift, men myonen er over 200 gange mere massiv. De to deler også samme spin, en kvantemekanisk egenskab, der bestemmer en partikels adfærd i nærvær af et magnetfelt.

Partikler med spin virker som små magneter, og når de placeres i et magnetfelt, deres spins ændrer retning i en cirkulær bevægelse, meget som et roterende gyroskop. Hastigheden af ​​en partikels spinprecession bestemmes af en mængde kendt som dens g-faktor, som afhænger af partiklens spin og styrken af ​​det magnetiske felt, hvori den bevæger sig.

I moderne kvantemekaniske teorier, vakuumet er ikke tomt. Den er fuld af bobler af såkaldte virtuelle partikler, dukker op og forsvinder meget hurtigt. Interaktioner mellem disse virtuelle partikler og en rigtig partikel, som myonen, kan ændre, hvordan den virkelige partikel interagerer med magnetfeltet, påvirker dens g-faktor. Teoretiske fysikere har beregnet, baseret på vores nuværende forståelse af naturens grundlæggende struktur, alle de måder, som hver kendt partikel påvirker myonens g-faktor, men de målinger, som Brookhaven-videnskabsmændene tog, afveg fra, hvad de forventede, med nogle få ppm. denne forskel, hvis det fortsætter i det nye eksperiment, ville pege på helt ny fysik - en spændende opdagelse for partikelfysikere.

"Hvis der faktisk er en uoverensstemmelse mellem de forudsagte og målte værdier, det er et yderligere bevis på, at standardmodellen, vores nuværende forståelse af universets indhold, er ufuldstændig, " sagde Argonne-fysiker Peter Winter. "Den uventede effekt kan skyldes en uopdaget partikel."

I det nye eksperiment, placeret hos Fermilab, en stråle vil bevæge sig i en cirkel gennem en stor, hul ring på grund af tilstedeværelsen af ​​et stærkt magnetfelt. Det samme magnetfelt vil også føre til præcession af myon-spindene, mens de kredser rundt om ringen. Forskerne kan beregne g-faktoren ved at detektere myonernes spin-præcession og kende den magnetiske feltstyrke i ringen.

For at opnå den ønskede præcision, både spinprecessionsfrekvensen og magnetfeltets styrke skal måles med usikkerheder under 70 ppm. Forskergruppen i Argonne har taget ansvaret for at måle magnetfeltet med så høj præcision. "Spillet med vores eksperiment er at kontrollere enhver systematisk usikkerhed, der kan forvrænge vores præcise målinger, " sagde Winter.

Dette præcisionsniveau kræver meget følsomme sonderingsenheder, som forskerne kalibrerede ved hjælp af meget stabile og isolerede felter produceret af genbrugte magnetiske resonansbilledmaskiner i Argonne.

Når de kalibrerede sonderne, forskerne placerede 17 af dem på en cirkulær trolley, der bevæger sig rundt i ringen ved Fermilab. Vognen måler marken omkring 10, 000 point, skabe et kort over feltstyrken overalt i ringen. Vognen hviler på to skinner, der løber langs siderne af røret, og forskerne flytter vognen rundt i ringen ved hjælp af to kabler fastgjort til motoriserede spoler.

"Denne trolley skal bevæge sig i et vakuum, " sagde Ran Hong, en Argonne postdoc udnævnt til undersøgelsen, "så at både kontrollere dens bevægelse og modtage data fra sonderne er meget udfordrende."

For at forstyrre feltet så lidt som muligt, kun et enkelt isoleret signalkabel forbinder vognen med omverdenen. Dette kabel sender information til vognen for at guide den rundt i løkken, og den sender dataene fra sonderne tilbage til kontrolrummet.

Det ældre system, der blev brugt i Brookhaven til laboratoriets eksperiment, sendte informationen ved hjælp af et analogt signal, men Argonne-videnskabsmænd og ingeniører har digitaliseret signalet for at øge mængden af ​​opnåede data. "Adgangen til flere rådata giver mulighed for bedre analyse, og det har ført til en 10-dobling af præcisionen, " sagde Winter.

På grund af det større digitale datasæt, kablet kan kun sende information i én retning ad gangen. "Vi er nødt til at flip-flop mellem at sende trolleyinstruktionerne og modtage dataene, " sagde Hong. "Omkring hvert 20. millisekund, retningsskifterne."

Forskerne har opstillet Muon g-2-eksperimentet i seks år. Dette år, de vil begynde at tage officielle data. Forsøget vil køre i flere måneder, måling af spin-præcession af cirka en billion myoner. Hver anden til tredje dag, eksperimentet vil holde pause, så vognen kan måle feltet, og mindre sonder på ydersiden af ​​vakuumkammeret vil estimere feltet til enhver tid, mens eksperimentet kører.

"I modsætning til store eksperimenter, der forsøger at opdage ukendte partikler direkte, vores tilgang er at søge efter indirekte effekter, der ændrer noget i meget lille skala, sagde Winter. Ved meget præcist at måle denne faktor, vi kan udlede, om der er noget nyt eller ej."

Hvis de nye data bekræfter den tidligere måling, forskerne planlægger at udføre eksperimentet med endnu højere præcision. Analyse af disse nye data kunne give en smag af den nye fysiks natur, og kunne angive, hvilken detektor der skulle konstrueres for at observere de potentielle nye partikler direkte.