Forskere arbejder på at kaste lys over standardmodel for partikelfysik

Mens forskere afventer de meget ventede første resultater af Muon g-2-eksperimentet ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Fermi National Accelerator Laboratory, Samarbejdende forskere fra DOE's Argonne National Laboratory fortsætter med at anvende og vedligeholde det unikke system, der kortlægger det magnetiske felt i eksperimentet med hidtil uset præcision.

Argonne-forskere opgraderede målesystemet, som bruger et avanceret kommunikationsskema og nye magnetfeltsonder og elektronik til at kortlægge feltet i hele den 45 meter lange omkreds ring, hvori forsøget foregår.

Eksperimentet, som begyndte i 2017 og fortsætter i dag, kan have stor betydning for partikelfysikken. Som en opfølgning på et tidligere eksperiment ved DOE's Brookhaven National Laboratory, det har beføjelsen til at bekræfte eller diskontere de tidligere resultater, som kunne kaste lys over gyldigheden af ​​dele af den regerende Standard Model for partikelfysik.

Højpræcisionsmålinger af vigtige mængder i eksperimentet er afgørende for at producere meningsfulde resultater. Den primære mængde af interesse er myonens g-faktor, en egenskab, der karakteriserer partiklens magnetiske og kvantemekaniske egenskaber.

Standardmodellen forudsiger værdien af ​​myonens g-faktor meget præcist. "Fordi teorien så klart forudsiger dette tal, at teste g-faktoren gennem eksperiment er en effektiv måde at teste teorien på, " sagde Simon Corrodi, en postdoc ansat i Argonnes High Energy Physics (HEP) afdeling. "Der var en stor afvigelse mellem Brookhavens måling og den teoretiske forudsigelse, og hvis vi bekræfter denne uoverensstemmelse, det vil signalere eksistensen af ​​uopdagede partikler."

Ligesom Jordens rotationsakse forudsætter - hvilket betyder, at polerne gradvist bevæger sig i cirkler - myonens spin, en kvanteversion af vinkelmomentum, præcesser i nærvær af et magnetfelt. Styrken af ​​det magnetiske felt, der omgiver en myon, påvirker den hastighed, hvormed dens spin præcesserer. Forskere kan bestemme myonens g-faktor ved hjælp af målinger af spinprecessionshastigheden og magnetfeltstyrken.

Jo mere præcise disse indledende målinger er, jo mere overbevisende bliver det endelige resultat. Forskerne er på vej til at opnå feltmålinger nøjagtige til 70 ppm. Dette præcisionsniveau gør det muligt for den endelige beregning af g-faktoren at være nøjagtig til fire gange præcisionen af ​​resultaterne af Brookhaven-eksperimentet. Hvis den eksperimentelt målte værdi afviger væsentligt fra den forventede standardmodelværdi, det kan indikere eksistensen af ​​ukendte partikler, hvis tilstedeværelse forstyrrer det lokale magnetfelt omkring myonen.

Trolley tur

Under dataindsamlingen et magnetfelt får en stråle af myoner til at rejse rundt i et stort, hul ring. For at kortlægge magnetfeltstyrken i hele ringen med høj opløsning og præcision, forskerne designet et trolleysystem til at køre målesonder rundt i ringen og indsamle data.

Universitetet i Heidelberg udviklede trolleysystemet til Brookhaven-eksperimentet, og Argonne-forskere renoverede udstyret og erstattede elektronikken. Ud over 378 sonder, der er monteret i ringen for konstant at overvåge feltdrift, vognen rummer 17 sonder, der periodisk måler feltet med højere opløsning.

"Hver tredje dag, vognen kører rundt om ringen i begge retninger, tager omkring 9, 000 målinger pr. sonde og retning, " sagde Corrodi. "Så tager vi målingerne for at konstruere skiver af magnetfeltet og derefter en fuld, 3-D kort over ringen."

Forskerne kender den nøjagtige placering af vognen i ringen fra en ny stregkodelæser, der registrerer mærker på bunden af ​​ringen, når den bevæger sig rundt.

Ringen er fyldt med et vakuum for at lette kontrolleret henfald af muonerne. For at bevare vakuumet i ringen, en garage forbundet til ringen og vakuum opbevarer vognen mellem målinger. Automatisering af processen med at læsse og losse vognen i ringen reducerer risikoen for, at forskerne kompromitterer vakuumet og magnetfeltet ved at interagere med systemet. De minimerede også strømforbruget af vognens elektronik for at begrænse den varme, der blev introduceret til systemet, som ellers ville forstyrre præcisionen af ​​feltmålingen.

Forskerne designede trolleyen og garagen til at fungere i ringens stærke magnetfelt uden at påvirke det. "Vi brugte en motor, der arbejder i det stærke magnetfelt og med minimal magnetisk signatur, og motoren bevæger vognen mekanisk, ved hjælp af strenge, " sagde Corrodi. "Dette reducerer støjen i feltmålingerne, der indføres af udstyret."

Systemet bruger den mindst mulige mængde magnetisk materiale, og forskerne testede det magnetiske fodaftryk af hver enkelt komponent ved hjælp af testmagneter ved University of Washington og Argonne for at karakterisere trolleysystemets overordnede magnetiske signatur.

Kommunikationens magt

Af de to kabler, der trækker vognen rundt om ringen, en af ​​dem fungerer også som strøm- og kommunikationskabel mellem kontrolstationen og måleproberne.

For at måle feltet, forskerne sender en radiofrekvens gennem kablet til de 17 trolleysonder. Radiofrekvensen får molekylernes spins inde i sonden til at rotere i magnetfeltet. Radiofrekvensen slukkes så på det helt rigtige tidspunkt, hvilket får vandmolekylernes spins til at præcessere. Denne tilgang kaldes nuklear magnetisk resonans (NMR).

Frekvensen, hvormed probernes spins præcesserer, afhænger af magnetfeltet i ringen, og en digitizer om bord på trolleyen konverterer den analoge radiofrekvens til flere digitale værdier, der kommunikeres gennem kablet til en kontrolstation. Ved kontrolstationen, forskerne analyserer de digitale data for at konstruere spinprecessionsfrekvensen og, fra det, et komplet magnetfeltkort.

Under Brookhaven-eksperimentet, alle signaler blev sendt gennem kablet samtidigt. Imidlertid, på grund af konverteringen fra analogt til digitalt signal i det nye eksperiment, meget mere data skal rejse over kablet, og denne øgede hastighed kunne forstyrre den meget præcise radiofrekvens, der er nødvendig for sondemålingen. For at forhindre denne forstyrrelse, forskerne adskilte signalerne i tid, skift mellem radiofrekvenssignalet og datakommunikation i kablet.

"Vi forsyner proberne med en radiofrekvens gennem et analogt signal, " sagde Corrodi, "og vi bruger et digitalt signal til at kommunikere dataene. Kablet skifter mellem disse to tilstande hvert 35. millisekund."

Taktikken med at skifte mellem signaler, der bevæger sig gennem det samme kabel, kaldes "tidsdelingsmultipleksing, " og det hjælper forskerne med at nå specifikationer for ikke kun nøjagtighed, men også støjniveauer. En opgradering fra Brookhaven-eksperimentet, tidsdelingsmultipleksing giver mulighed for kortlægning i højere opløsning og nye muligheder inden for magnetfeltdataanalyse.

Kommende resultater

Både feltkortlægnings-NMR-systemet og dets bevægelseskontrol blev med succes idriftsat hos Fermilab og har været i pålidelig drift i de første tre dataoptagelsesperioder af eksperimentet.

Forskerne har opnået en hidtil uset præcision til feltmålinger, samt registrere ensartethed af ringens magnetfelt, i dette Muon g-2 eksperiment. Forskere analyserer i øjeblikket den første runde af data fra 2018, og de forventer at offentliggøre resultaterne inden udgangen af ​​2020.

Forskerne detaljerede den komplekse opsætning i et papir, med titlen "Design og ydeevne af et in-vacuum, magnetfeltkortlægningssystem til Muon g-2 eksperimentet, " offentliggjort i Journal of Instrumentation .