Feltguider:Forskere styrker beviset på ny fysik i Muon g-2-eksperimentet

Forskere tester vores grundlæggende forståelse af universet, og der er meget mere at opdage.

Hvad gør berøringsskærme, strålebehandling og krympevik har det tilfælles? De blev alle muliggjort af partikelfysisk forskning. Opdagelser af, hvordan universet fungerer i den mindste skala, fører ofte til enorme fremskridt inden for teknologi, vi bruger hver dag.

Forskere fra U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og Fermi National Accelerator Laboratory, sammen med samarbejdspartnere fra 46 andre institutioner og syv lande, udfører et eksperiment for at sætte vores nuværende forståelse af universet på prøve. Det første resultat peger på eksistensen af ​​uopdagede partikler eller kræfter. Denne nye fysik kunne hjælpe med at forklare langvarige videnskabelige mysterier, og den nye indsigt føjer til et lager af information, som videnskabsmænd kan udnytte, når de modellerer vores univers og udvikler nye teknologier.

Eksperimentet, Muon g-2 (udtales Muon g minus 2), følger en, der begyndte i 90'erne på DOE's Brookhaven National Laboratory, hvor videnskabsmænd målte en magnetisk egenskab af en fundamental partikel kaldet myonen.

Brookhaven-eksperimentet gav et resultat, der afveg fra værdien forudsagt af standardmodellen, videnskabsmænds hidtil bedste beskrivelse af universets makeup og adfærd. Det nye eksperiment er en genskabelse af Brookhavens, bygget til at udfordre eller bekræfte uoverensstemmelsen med højere præcision.

Standardmodellen forudsiger meget præcist myonens g-faktor - en værdi, der fortæller videnskabsmænd, hvordan denne partikel opfører sig i et magnetfelt. Denne g-faktor er kendt for at være tæt på værdien to, og eksperimenterne måler deres afvigelse fra to, deraf navnet Muon g-2.

Forsøget på Brookhaven indikerede, at g-2 adskilte sig fra den teoretiske forudsigelse med få dele pr. Million. Denne lille forskel antydede eksistensen af ​​ukendte interaktioner mellem muonen og magnetfeltet - interaktioner, der kunne involvere nye partikler eller kræfter.

Det første resultat fra det nye eksperiment stemmer meget overens med Brookhavens, styrker beviserne for, at der er ny fysik at opdage. De kombinerede resultater fra Fermilab og Brookhaven viser en forskel fra standardmodellen ved en signifikans på 4,2 sigma (eller standardafvigelser), lidt mindre end de 5 sigma, som forskere kræver for at kræve en opdagelse, men stadig overbevisende bevis på ny fysik. Chancen for, at resultaterne er et statistisk udsving, er omkring 1 ud af 40, 000.

Partikler ud over standardmodellen kunne hjælpe med at forklare forvirrende fænomener i fysik, såsom naturen af ​​mørkt stof, et mystisk og gennemgående stof, som fysikere ved eksisterer, men som endnu ikke har opdaget.

"Dette er et utroligt spændende resultat, " sagde Argonnes Ran Hong, en postdoc-udnævnt, der arbejdede på Muon g-2-eksperimentet i over fire år. "Disse resultater kan have store konsekvenser for fremtidige partikelfysiske eksperimenter og kan føre til et stærkere greb om, hvordan universet fungerer."

Argonne -teamet af forskere bidrog betydeligt til forsøgets succes. Det originale hold, samlet og ledet af fysiker Peter Winter, inkluderet Argonnes Hong og Simon Corrodi, samt Suvarna Ramachandran og Joe Grange, som siden har forladt Argonne.

"Dette hold har et imponerende og unikt sæt færdigheder med høj ekspertise vedrørende hardware, operationel planlægning og dataanalyse, sagde Vinter, der leder Muon g-2 bidragene fra Argonne. "De ydede vigtige bidrag til eksperimentet, og vi kunne ikke have opnået disse resultater uden deres arbejde."

For at udlede myonens sande g-2, forskerne på Fermilab producerer stråler af myoner, der rejser i en cirkel gennem en stor, hulring i nærvær af et stærkt magnetfelt. Dette felt holder muonerne i ringen og får retningen af ​​et muons spin til at rotere. Rotationen, som forskere kalder precession, ligner rotation af jordens akse, kun meget, meget hurtigere.

For at beregne g-2 til den ønskede præcision, forskerne skal måle to værdier med meget høj sikkerhed. Den ene er hastigheden af ​​myonens spinprecession, når den krydser ringen. Den anden er styrken af ​​det magnetiske felt, der omgiver myonen, hvilket påvirker dets precession. Det er her, Argonne kommer ind.

Udflugt

Selvom myonerne rejser gennem et imponerende konstant magnetfelt, ændringer i omgivende temperatur og effekter fra eksperimentets hardware forårsager små variationer i hele ringen. Selv disse små skift i feltstyrke, hvis der ikke er taget højde for det, kan påvirke nøjagtigheden af ​​g-2-beregningen markant.

For at korrigere for feltvariationerne, forskerne måler konstant det drivende felt ved hjælp af hundredvis af sonder monteret på ringens vægge. Ud over, de sender en trolley rundt i ringen hver tredje dag for at måle feltstyrken, hvor myonstrålen rent faktisk passerer igennem. På vognen er der monteret sonder, der kortlægger magnetfeltet med utrolig høj præcision i hele ringens 45 meter omkreds.

For at nå det ultimative usikkerhedsmål på mindre end 70 dele pr. milliard (omkring 2,5 gange bedre end feltmålingen i det forrige eksperiment), Argonne -forskere renoverede vognsystemet, der blev brugt i Brookhaven -eksperimentet med avancerede kommunikationsevner og nye, ultrapræcise magnetfeltsonder udviklet af University of Washington.

Vognen kører rundt om ringen i begge retninger, tager omkring 9, 000 målinger pr. sonde og retning. Forskerne bruger målingerne til at rekonstruere skiver af magnetfeltet og derefter udlede en fuld, 3D-kort over marken i ringen. Feltværdier på punkter på kortet går ind i g-2-beregningen for muoner, der passerer gennem disse steder. Jo bedre feltmålinger, jo mere meningsfuldt er det endelige resultat.

Forskerne konverterede også nogle af de analoge signaler, der blev brugt i det gamle eksperiment, til digitale signaler for at øge mængden af ​​data, de kunne få fra sonderne. Dette krævede kompleks konstruktion af vognens kommunikationssystem for at minimere forstyrrelser af de følsomme sonderingsmekanismer.

"Det var ret udfordrende at få vognen til at fungere problemfrit og sikkert. Det krævede, at kontrolsystemet kunne håndtere rutineoperationer, men også identificere nødsituationer og reagere passende, " sagde Hong, hvis baggrund i både videnskabelig forskning og teknik var afgørende for at designe vognen til at fungere med begrænset forstyrrelse af eksperimentet.

Teamet planlægger at opgradere vognesystemet til den næste datatagende periode for yderligere at forbedre målingerne ved at reducere usikkerheden lidt efter lidt.

Finjustering

I præcisionseksperimenter som Muon g-2, Hovedformålet er at reducere enhver systematisk usikkerhed eller fejl, der kan påvirke målingerne.

"At måle de rå tal er relativt let - at finde ud af, hvor godt vi ved, at tallene er den virkelige udfordring, " sagde Corrodi, en postdoc ansat i Argonnes High Energy Physics division (HEP).

For at sikre nøjagtigheden af ​​magnetfeltmålingerne, forskerne kalibrerede sonderne ved hjælp af Argonnes 4-Tesla Solenoid Facility, som rummer en magnet fra en tidligere magnetisk resonansbilledscanner (MRI). Magneten producerer et ensartet og stabilt magnetfelt med over 400 gange styrken af ​​en køleskabsmagnet.

Argonne-forskere kalibrerede proberne i vognen mod aflæsninger fra en sonde, der var designet og testet inde i solenoidemagneten. Denne proces sikrer, at sonderne hver læser den samme måling, når de er i det samme magnetfelt, og gør det muligt for forskerne at foretage nøjagtige korrektioner. Testfaciliteten tillod forskerne at opnå feltmålinger ned til flere dele pr. Milliard - som at måle vandmængden i en swimmingpool ned til faldet.

"Ud over at kalibrere sonderne, vi forbedrede feltmålingerne ved at justere driftsindstillingerne undervejs, " sagde Corrodi, "Under dataanalyse, vi fandt nogle effekter, vi ikke havde forventet."

Da Corrodi og team så fejl i dataene, de undersøgte systemet for at finde årsagen. For eksempel, visse enheder i ringen fokuserer myonstrålen for at holde den centreret. Disse enheder, imidlertid, en smule forstyrre magnetfeltet i ringen. Forskerne designede en måde at måle denne effekt på for at fjerne den fra analysen.

Samler det hele

Rejsen af ​​magnetfeltdata fra sonde til computer er kompleks. Corrodi, Hong og andre konfigurerede hardware og software til at læse data fra feltsonderne med de korrekte klokkeslæt- og placeringsstempler. De var også nødt til at give mening om dataene, som starter i binær kode, for at integrere dem med de fælles analyserammer for eksperimentet.

"Vi var nødt til at konvertere rådata til noget, vi kunne arbejde med, " sagde Hong, "og vi var ansvarlige for datakvalitetskontrollen, at bestemme, hvilke fejlbehæftede data der skal kasseres i den ultimative g-2-analyse."

Corrodi vil lede analyseteamet for magnetfeltet, løse konflikter med udstyr og sikre, at de forskellige hold i eksperimentet konvergerer om det næste resultat, sagde Winter. "Du er virkelig nødt til at forstå hele feltanalysen for at nå vores videnskabelige mål."

Fremtiden for myon-eksperimenter

Det første, forskerne planlægger at gøre, er at dobbelttjekke resultaterne.

"Indtil nu, præcisionen af ​​den ultimative g-2-måling er sammenlignelig med den i Brookhaven-eksperimentet, men det domineres af, at dataene er begrænsede indtil nu, " sagde Corrodi. "Vi har kun analyseret 6% af de data, vi planlægger at overtage hele eksperimentet. Disse tilføjede data vil reducere usikkerheden betydeligt."

Det første resultat er også opmuntrende for forskere, der udfører andre nuværende og planlagte myoneksperimenter, herunder et fremtidigt g-2-eksperiment, der vil blive gennemført i Japan, og det næste muon -eksperiment på Fermilab - Mu2e -eksperimentet. Disse projekter bruger allerede Argonnes Solenoid Facility til at krydskalibrere deres magnetfeltsonder med dem, der bruges hos Fermilab.

"Der kunne være en fornyet indsats for at lede efter myoner ved Large Hadron Collider, søger efter mulige hints af den nye fysik bag g-2 værdien, sagde Carlos Wagner, en teoretisk fysiker i Argonnes HEP, der arbejder på at forsøge at forklare disse fænomener. "Der kunne også være fornyet interesse for konstruktionen af ​​en myonkollider, som kunne give en direkte måde at kontrollere denne nye fysik på."

Når først videnskabsmænd har fået styr på denne nye fysik, det kan være i stand til at informere kosmologiske og kvantemekaniske modeller, eller endda hjælpe videnskabsmænd med at opfinde nye teknologier hen ad vejen - den næste shrink wrap, måske.

Samarbejdet udgav et papir om resultatet i Fysiske anmeldelsesbreve , med titlen "Måling af det positive muon anomale magnetiske moment til 0,46 ppm." Et papir om magnetfeltmåling blev også offentliggjort i Fysisk gennemgang A , med titlen "Magnetfeltmåling og analyse for Muon g-2-eksperimentet på Fermilab."