Muon g-2 begynder andet løb

Tidligere på måneden Muon g-2 ("g minus to") eksperimentet på Fermilab begyndte sin anden kørsel for at søge efter skjulte partikler og kræfter.

I løbet af de næste tre måneder, forskere forventer at akkumulere den dobbelte mængde data indsamlet i kørsel 1 og foretage verdens mest præcise måling af myonens unormale magnetiske moment, ofte udtrykt som mængden g-2.

Run 2 indeholder adskillige forbedringer, som videnskabsmænd har lavet til eksperimentet i løbet af de sidste otte måneder.

"Vi søger at have et mere stabilt miljø, hvor vi tager dataene, fordi vi i den første dataindsamlingsperiode forsøgte at få tingene til at fungere og evaluere, hvordan de fungerer, " sagde Mark Lancaster, eksperimentets medtalsmand og professor i fysik ved University of Manchester og University College London. "Nu prøver vi at bevæge os ind i den tilstand, hvor tingene er meget mere stabile, og vi kan køre i en rimelig periode uden indgreb."

Muoner er elementære partikler, der ligner, men meget tungere end elektroner. En myons magnetiske moment - en egenskab relateret til orienteringen og styrken af ​​dens indre magnet - ændres, når den drejer, en effekt kaldet præcession. Lancaster og hans kolleger måler præcessionsfrekvensen af ​​det magnetiske moment meget præcist og sammenligner resultatet med, hvad teoretikere forudsiger, det burde være. Derved, de håber at bekræfte, eller endda revidere, standardmodellen for partikelfysik.

"Når den rejser gennem universet, en partikel er aldrig rigtig alene, " sagde Fermilabs Chris Polly, eksperimentets anden medtalsmand. "Der er konstant et følge af andre partikler, der dukker op ud af vakuummet. De kommer ud af ingenting, og de forsvinder lige så hurtigt, som de dukkede op."

Disse partikler ændrer en smule myonens magnetiske moment. Ved at beregne, hvor ofte de vil springe ind og ud af vakuumet og interagere med myonen, forskere kan forudsige virkningen af ​​alle de kendte partikler på det magnetiske moment med meget høj præcision. Sammenligningen af ​​denne forudsigelse med den eksperimentelt opnåede værdi vil fortælle forskerne, om der er yderligere, uopdagede partikler eller kræfter, der ændrer det magnetiske moment.

I hvile, myoner henfalder på kun to milliontedele af et sekund. Det henfald producerer to neutrinoer og en positron, som er en positivt ladet elektron.

"Størstedelen af ​​vores data kommer fra at se på energier og tider med henfaldspositroner, der kom fra myonerne, sagde Brendan Kiburg, en Fermilab partikelfysiker involveret i eksperimentet.

At få disse data kræver en meget ensartet, præcist målt magnetfelt.

"Det er utrolig vigtigt, at vi kender det magnetiske felt, som muonerne oplever, " sagde Kiburg. "Da den nye fysik, vi leder efter, er indlejret i præcessionsfrekvensen, du skal sikre dig, at myonerne ikke ser et andet magnetfelt end det, vi måler."

Finjustering af ringen

Eksperimentets lagerringmagnet kom til Fermilab fra dets oprindelige hjem i Brookhaven National Laboratory i 2013. Efter flere års konstruktion og justeringer, operatører fik tunet strålen op og engageret i kørsel 1, et tre måneders produktionsforløb i 2018.

"På grund af det produktionsforløb, vi var i stand til at lære om nogle få mangler, som vi virkelig skulle rette, " sagde Polly.

Der er flere områder, holdet fokuserede på i løbet af sommeren. Det første var et system af quadrupole magneter, der fokuserer myonerne og forhindrer dem i at spiralere op eller ned.

"Vi opdagede under nedlukningen, at vi var nødt til at forbedre pålideligheden af ​​quadrupolernes drift, især ved de højere spændinger, som vi gerne vil opnå i den kommende kørsel, " sagde Polly.

Et andet problem involverede en enhed kaldet en elektromagnetisk kicker. Det forskyder myonernes kredsløb meget lidt for at holde dem på en sti, der bliver inde i ringen.

"Kickeren er nok den vigtigste komponent i eksperimentet ud over selve ringen, " sagde Kiburg.

Uden kickeren, myonerne opfører sig som en Formel 1-kører, hvis racerbil er i den forkerte vinkel, sender dem uroligt ind i væggen på første omgang. For at undgå dette, kickeren flytter vinklen på myonerne, når de kommer gennem ringens port.

"Et af problemerne med kickeren i Brookhaven var, at det var for langsomt, " sagde Polly. "I stedet for at give myonerne et spark på det første sving og slukke, kicker-pulsen fortsatte i to eller tre omdrejninger rundt om ringen. Det var mindre end ideelt, så vi designede en kicker til dette eksperiment, der kunne være op og ned igen i en enkelt omgang."

Mens sparket i løbet af 1. løb på Fermilab var tre gange hurtigere, den var ikke stærk nok til at skubbe myonerne ind i præcis den perfekte bane omkring ringen. Under nedlukningen, holdet opgraderede ringen for at rumme en mere kraftfuld kicker.

Det tredje problem var temperaturkontrollen i Muon g-2-bygningen. Den magnetiske lagerring er ekstremt følsom over for temperatur - så meget, at en ændring på mere end en enkelt grad Celsius kan få den til at udvide sig eller trække sig sammen, nedbrydning af magnetfeltet. Mens du udfører Run 1 i de varmeste sommermåneder, at opretholde anlæggets temperatur var en udfordring. Forbedringer af anlæggets varme- og kølesystemer skulle løse det, sagde Polly.

Et bjerg af data

Holdet begyndte for nylig at bringe stråle til opbevaringsringen og teste, at opgraderingerne fungerede som planlagt. Et centralt mål med Run 2 er at måle det magnetiske moment meget præcist, til 70 dele pr. milliard. For at få den slags præcision, magnetfeltet skal være meget ensartet.

"Vi var i stand til at justere magnetfeltet, så det er to til tre gange mere ensartet, " sagde Polly. "Så, selvom vi bruger den samme beholder, vi har faktisk forvandlet det til en meget bedre beholder i forhold til at forstå dette magnetfelt."

Holdet skulle også booste eksperimentets muonflux, antallet af myoner pr. sekund, der kræves for at nå den nødvendige statistiske præcision. I løb 1, de nåede omkring halvdelen af ​​deres mål. En række opgraderinger, der er gennemført hen over sommeren, forventes at øge strømmen til omkring 75 procent af målet. En sidste opgradering, som holdet overvejer til næste sommer, ville få fluksen resten af ​​vejen, sagde Polly.

En kommende udfordring er den store mængde data. Kørsel 2 har til formål at reducere usikkerheden i resultatet fra Brookhaven Muon g-2 eksperimentet med en faktor på fire, hvilket kræver 16 gange statistikken. Det er mange data.

"Vores mål er at behandle dataene, når de ankommer, " sagde Lancaster. "Vi bruger distribueret databehandling til alt, så vi behandler alt på nettet. En del af det, vi stræber efter at gøre, er at gøre det mere robust og pålideligt."

Og robusthed og pålidelighed kræver strenghed.

"Det er derfor, du gennemgår hele designprocessen så omhyggeligt, " sagde Kiburg. "Det er så du kan komme til et punkt, hvor du gør det til et fysikresultat, og vi er på dørtrinnet der, så det er en sjov tid."