Forskere genbruger MRI-magnet til nye opdagelser

En begrænsende faktor i moderne fysikeksperimenter er den præcision, hvormed videnskabsmænd kan måle vigtige værdier, såsom magnetfeltet i en detektor. Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og deres samarbejdspartnere har udviklet en unik facilitet til at kalibrere feltmåleudstyr og teste deres grænser inde i kraftige magnetfelter.

Faciliteten har en magnetmagnet fra en tidligere magnetisk resonansbilleddannelse (MRI)-scanner, der oprindeligt var anbragt på et hospital i San Francisco. Magneten producerer et maksimalt felt på 4 Tesla - over 400 gange styrken af ​​en køleskabsmagnet. Dens store åbning, oprindeligt beregnet til at holde en patient under en MR-scanning, giver forskerne rigelig plads til at placere enheder og maskiner inde i magnetfeltet. Feltet produceret af magneten er også usædvanligt ensartet og stabilt, et krav om at kalibrere måleudstyr til den ultrahøje præcision, der er nødvendig for mange partikel- og kernefysiske eksperimenter.

"Vi har arbejdet med flere forskere, i Argonne og fra andre institutioner, der har brug for et stærkt magnetfelt og stor boring for at teste deres forskning, sagde Peter Winter, fysiker og gruppeleder i Argonnes High Energy Physics division. "Forskere medbringer deres enheder og elektronik, og vi leverer vores magnet, ekspertise og infrastruktur til at hjælpe med at automatisere processerne og sikre testens succes."

Teamet søger nye brugere til at fortsætte med at udvide anlæggets applikationsportefølje.

Kalibreringsstation

En primær anvendelse af Argonnes solenoide-testfacilitet er kalibrering og krydskalibrering af måleprober for at opnå høj præcision og tilføje lag af sammenhæng mellem lignende eksperimenter over hele verden.

Oprindeligt, Argonne-forskere erhvervede magneten for at teste og kalibrere flere sonder udviklet af University of Massachusetts til måling af magnetfeltet i Muon g minus 2 (Muon g-2) eksperimentet, der i øjeblikket finder sted på DOE's Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Testfaciliteten gjorde det muligt for forskerne at opnå præcise feltmålinger ned til flere dele pr. milliard - som at måle Jordens omkreds ned til omkring to tommer.

Præcis måling af feltet i eksperimentet er afgørende, fordi magnetfeltstyrken er en vigtig aktør i den ultimative bestemmelse af g, en egenskab ved myonen, hvis bestemmelse enten vil bekræfte nuværende teorier om partikelfysik eller pege på eksistensen af ​​uopdagede partikler.

"Denne facilitet har gjort det muligt for magnetfeltteamet på Muon g-2 at opfylde strenge mål for eksperimentet ved at reducere usikkerheder og forbedre robustheden af ​​vores målinger, " sagde David Kawall, en fysiker og professor fra University of Massachusetts. "Efter min bedste viden, der er ingen peer faciliteter i verden, og at have adgang til disse værktøjer hos Argonne har været afgørende for succesen med magnetfeltindsatsen på Muon g-2."

Fremtidige g-2-eksperimenter vil blive udført i Japan på Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) under High Energy Accelerator Research Organisation (KEK). De japanske kollaboratører, ledet af Ken-ichi Sasaki, bruger faciliteten til at krydskalibrere deres magnetfeltsonder med dem, der bruges hos Fermilab.

"Ved at sikre, at vores sonder alle læser de samme værdier i det samme magnetfelt, vi tilføjer sikkerhed til målingerne fra begge g-2 eksperimenter, " sagde Sasaki, som er professor ved KEK og undersektionsleder af den kryogene sektion i J-PARC.

Endnu et myoneksperiment, Muonium-spektroskopieksperimentet ved hjælp af mikrobølger (MUSEUM), vil bidrage til det japanske g-2 eksperiment ved præcist at måle masseforholdet mellem myonen og elektronen, en værdi, der også indgår i g-2-bestemmelsen.

Eksperimentet på KEK i Japan bruger meget lignende nuklear magnetisk resonans (NMR) kalibreringsprober som g-2 eksperimentet. Udviklingen af ​​sonden til Museum er blevet ledet af Toya Tanaka, en kandidatstuderende ved University of Tokyo, der bruger magnetventilen til at kalibrere eksperimentets sonder. Samarbejdet mellem japanske og amerikanske videnskabsmænd vil sikre, at både g-2-eksperimenter og MuSEUM-eksperimentet har en konsistent feltmåling.

Helium og Hall probe udvikling

Gennem et partnerskab med Fermilabs Thomas Strauss, en anden japansk gruppe, ledet af Norihito Ohuchi og Yasushi Arimoto fra KEK, bruger faciliteten til at kalibrere deres egen sonde - kaldet en Hall-sonde - til det kommende SuperKEKB-eksperiment.

Selvom de er mindre præcise end de NMR-prober, der blev brugt i de nuværende g-2-eksperimenter, Hall-sonder kan måle ikke kun størrelsen af ​​et magnetfelt med feltgradienten, men også dens retning.

SuperKEKB, en nyligt opgraderet, tre kilometer elektron-positron kolliderer, accelererer partikler kaldet elektroner og positroner meget tæt på lysets hastighed. Forskerne vil bruge målingerne fra partikler skabt i kollisioner til at undersøge en potentiel forklaring på stof-antistof-asymmetrien i universet.

SuperKEKB-eksperimentet involverer fem superledende solenoide-magneter i det strålekolliderende område. Magnetfelterne har stor indflydelse på effektiviteten af ​​kollisionerne. For at øge effektiviteten af ​​strålekollision, holdet vil bruge de kalibrerede data fra Hall-prober til at lave mere præcise magnetfeltprofiler.

"Ved at bruge Argonnes testfacilitet, vi tror på, at vi kan forbedre nøjagtigheden af ​​Hall-sonderne med en størrelsesorden, " sagde Ohuchi, der er professor ved KEK og leder af den superledende magnetgruppe i Acceleratorlaboratoriet. "Dette vil gøre os i stand til at kortlægge de komplekse magnetiske felter, der produceres af SuperKEKB-magneterne og forbedre kvaliteten af ​​strålerne."

Endnu et kommende eksperiment hos Fermilab, kaldet Mu2e, vil også anvende Hall-sonder til feltkortlægning. Eksperimentet bruger en magnetmagnet som Argonnes, men større, at måle myon-interaktioner. Den herskende standardmodel for partikelfysik tillader myoner at henfalde på en bestemt måde, men for dette eksperiment, videnskabsmænd vil søge efter en forbudt interaktion, hvis forekomst ville krænke standardmodellen og pege på ny fysik.

Hall-sondernes evne til at måle retningen af ​​et felt gør det til den foretrukne sonde til Mu2e-eksperimentet, men den ekstra kapacitet nødvendiggør endnu mere kvalitetskontrol. Argonne-forskere har taget ansvaret for feltkortlægning i Mu2e-eksperimentet, og de bruger testfaciliteten til at kalibrere proberne.

"Hvis du har en lille fejljustering mellem den retning, hvorfra sonden læser sin måling, og hvor feltet faktisk peger, målingen kan afvige fra den sande værdi meget hurtigt, " sagde Bob Wagner, leder af feltkortlægningsteamet i Argonne. "Vores magnet giver os mulighed for at justere probernes akser med feltet og med hinanden."

Efterhånden som Hall-sonderne bliver mere præcise og præcise ved hjælp af Argonnes testfacilitet, en ny sonde - en der bruger helium - er på vej. En gruppe forskere fra University of Michigan, ledet af professor Tim Chupp og Midhat Farooq, udviklet den nye kalibreringssonde til at fungere som en ekstra kontrol for målefelter

Helium isotopen i sonden, helium-3, er en inert gas, der opfører sig anderledes end det vand, der bruges i traditionelle sonder og har potentiale for større nøjagtighed. "Vi brugte Argonne-testmagneten til at krydskalibrere vores sonde med to vandsonder, inklusive en med samme design som UMass-sonden, og fandt overensstemmelse med høj præcision, bekræfter, at eventuelle effekter, vi ikke havde overvejet, er ret små, " sagde Chupp. "Vores næste skridt er krydskalibrering af UMass-sonden med en forbedret helium-3-sonde, der vil være endnu mere præcis."

Farooq og team udgav et papir i Fysisk gennemgangsbreve i juni 2020 om succesen med deres heliumsonde.

En voksende liste af applikationer

Siden de accepterede sin første gruppe af eksterne brugere - videnskabsmænd fra Stony Brook University, der testede en magnetisk kappe for at afskærme elektronik i eksperimenter - er anlæggets applikationer og brugerbase vokset betydeligt.

Ud over sondekalibrering, magneten har også hjulpet med at teste og udvikle en række eksperimentelt udstyr. Argonnes Junqi Xie, en videnskabsmand i laboratoriets fysikafdeling, bruger magneten til at udvikle detektorer, der opererer i høje magnetiske felter til fotosensing applikationer. Detektorerne vil have fremtidige applikationer i Electron-Ion Collider, der skal bygges på DOE's Brookhaven National Laboratory.

Fermilab brugte for nylig magneten til at teste deres lasermetrologisystemer, som de bruger til at måle afstande og justere udstyr i eksperimenter. De testede evnen af ​​flere lasertrackere, som kan måle afstande på submillimeterniveau, for at forblive nøjagtig i nærvær af høje magnetfelter.

"Anlægget har også været nyttigt til at træne den næste generation af forskere, " sagde Kawall, "og de etablerede internationale samarbejder vil være til varig gavn."