Эксперимент с мюоном G-2 — начало новой физики, которая может раскрыть множество научных загадок

 

Что общего у сенсорных экранов, лучевой терапии и термоусадочной пленки? Все они стали возможными благодаря исследованиям физики элементарных частиц. Открытия того, как устроена Вселенная в самом маленьком масштабе, часто приводят к огромному прогрессу в технологиях, которые мы используем каждый день.

Ученые из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) и Национальной ускорительной лаборатории Ферми вместе с сотрудниками из 46 других учреждений и семи стран проводят эксперимент, чтобы проверить наше нынешнее понимание Вселенной. Первый результат указывает на существование неоткрытых частиц или сил. Эта новая физика может помочь объяснить давние научные загадки, а новое понимание добавляет к хранилищу информации, которую ученые могут использовать при моделировании нашей Вселенной и разработке новых технологий.

Эксперимент, Muon g-2 (произносится как Muon g минус 2), следует за экспериментом, который начался в 90-х годах в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, в ходе которого ученые измерили магнитное свойство фундаментальной частицы, называемой мюоном.

Эксперимент в Брукхейвене дал результат, который отличался от значения, предсказанного Стандартной моделью, лучшим описанием учеными структуры и поведения Вселенной. Новый эксперимент представляет собой воссоздание эксперимента Брукхейвена, созданный для того, чтобы оспорить или подтвердить несоответствие с более высокой точностью.

Стандартная модель очень точно предсказывает g-фактор мюона — значение, которое говорит ученым, как эта частица ведет себя в магнитном поле. Этот g-фактор, как известно, близок к значению два, и эксперименты измеряют его отклонение от двух, отсюда и название Muon g-2.

Эксперимент в Брукхейвене показал, что g-2 отличается от теоретического предсказания на несколько частей на миллион. Эта крохотная разница намекала на существование неизвестных взаимодействий между мюоном и магнитным полем — взаимодействий, которые могут включать новые частицы или силы.

Первый результат нового эксперимента полностью согласуется с результатами Брукхейвена, что усиливает свидетельство того, что предстоит открыть новую физику. Объединенные результаты Фермилаба и Брукхейвена показывают отличие от Стандартной модели при значении 4,2 сигмы (или стандартных отклонений), что немного меньше, чем 5 сигм, которые необходимы ученым, чтобы заявить об открытии, но все же убедительное свидетельство новой физики. Вероятность того, что результаты являются статистическими колебаниями, составляет примерно 1 из 40 000.

Частицы, выходящие за рамки Стандартной модели, могут помочь объяснить загадочные явления в физике, такие как природа темной материи, загадочной и широко распространенной субстанции, о существовании которой физики знают, но еще предстоит обнаружить.

«Это невероятно захватывающий результат», — сказал Ран Хонг из Аргонны, постдокторант, работавший над экспериментом Muon g-2 более четырех лет. «Эти открытия могут иметь большое значение для будущих экспериментов по физике элементарных частиц и могут привести к более глубокому пониманию того, как устроена Вселенная».

Команда ученых Аргонна внесла значительный вклад в успех эксперимента. В первоначальную команду, собранную и возглавляемую физиком Питером Винтером, входили Хонг из Аргонна и Саймон Корроди, а также Суварна Рамачандран и Джо Грейндж, которые с тех пор покинули Аргонн.

«Эта команда обладает впечатляющим и уникальным набором навыков с большим опытом в области аппаратного обеспечения, оперативного планирования и анализа данных», — сказал Винтер, который возглавляет проект Muon g-2 из Аргонны. «Они внесли жизненно важный вклад в эксперимент, и мы не смогли бы получить эти результаты без их работы».

Чтобы определить истинное значение g-2 мюона, ученые из Фермилаба создают пучки мюонов, которые движутся по кругу через большое полое кольцо в присутствии сильного магнитного поля. Это поле удерживает мюоны в кольце и заставляет направление вращения мюона вращаться. Вращение, которое ученые называют прецессией, похоже на вращение земной оси, только намного быстрее.

Чтобы рассчитать g-2 с желаемой точностью, ученым необходимо измерить два значения с очень высокой точностью. Один из них — это скорость прецессии спина мюона при его прохождении через кольцо. Другой — это сила магнитного поля, окружающего мюон, которое влияет на его прецессию. Вот где приходит Аргонн.

Экскурсия

Хотя мюоны проходят через впечатляюще постоянное магнитное поле, изменения температуры окружающей среды и эффекты оборудования эксперимента вызывают небольшие колебания по всему кольцу. Даже эти небольшие сдвиги в напряженности поля, если их не учитывать, могут значительно повлиять на точность расчета g-2.

Чтобы исправить вариации поля, ученые постоянно измеряют дрейфующее поле с помощью сотен зондов, установленных на стенках кольца. Кроме того, каждые три дня они отправляют тележку вокруг кольца для измерения напряженности поля, через которое фактически проходит мюонный пучок. На тележке установлены датчики, которые с невероятно высокой точностью отображают магнитное поле по всей 45-метровой окружности кольца.

Ран Хонг из Аргонны (слева) и Саймон Корроди (справа) устанавливают калибровочный датчик на заводе соленоидов 4 Тесла. Предоставлено: Марк Лопес / Аргоннская национальная лаборатория.

Чтобы достичь конечной цели неопределенности менее 70 частей на миллиард (примерно в 2,5 раза лучше, чем измерение поля в предыдущем эксперименте), ученые Аргонна модернизировали тележку, используемую в эксперименте в Брукхейвене, с расширенными коммуникационными возможностями и новыми сверхточными датчиками магнитного поля. разработан Вашингтонским университетом.

Тележка движется по кольцу в обоих направлениях, выполняя около 9000 измерений на зонд и направление. Ученые используют измерения, чтобы восстановить срезы магнитного поля, а затем составить полную трехмерную карту поля в кольце. Значения полей в точках на карте входят в расчет g-2 для мюонов, проходящих через эти места. Чем точнее измерения поля, тем значительнее конечный результат.

Ученые также преобразовали некоторые аналоговые сигналы, использованные в старом эксперименте, в цифровые, чтобы увеличить объем данных, которые они могли получить от зондов. Это потребовало сложной инженерии системы связи тележки, чтобы свести к минимуму нарушения чувствительных зондирующих механизмов.

«Было довольно сложно заставить тележку работать плавно и безопасно. Требовалось, чтобы система управления справлялась с обычными операциями, а также выявляла аварийные ситуации и надлежащим образом реагировала », — сказал Хонг, чей опыт как в научных исследованиях, так и в инженерии имел решающее значение для проектирования тележки для работы с ограниченным прерыванием эксперимента.

Команда планирует модернизировать тележку для следующего периода сбора данных, чтобы еще больше улучшить измерения, постепенно уменьшая погрешность.

Тонкая настройка

В прецизионных экспериментах, таких как Muon g-2, основная цель состоит в том, чтобы уменьшить любую систематическую неопределенность или ошибку, которая может повлиять на измерения.

«Измерять исходные числа относительно легко — настоящая проблема — выяснить, насколько хорошо мы знаем эти числа», — сказал Корроди, постдокторант в отделении физики высоких энергий Аргонна (HEP).

Чтобы обеспечить точность измерений магнитного поля, ученые откалибровали зонды с помощью 4-тесловой соленоидной установки Argonne, в которой находится магнит от бывшего магнитно-резонансного томографа (МРТ). Магнит создает однородное и стабильное магнитное поле, более чем в 400 раз превышающее силу магнита холодильника.

Ученые в Аргонне откалибровали датчики в тележке по показаниям датчика, который был разработан и испытан внутри соленоидного магнита. Этот процесс гарантирует, что все зонды будут считывать одно и то же измерение, когда они находятся в одном и том же магнитном поле, и позволяет ученым вносить точные поправки. Испытательная установка позволила ученым проводить полевые измерения с точностью до нескольких частей на миллиард — например, измерение объема воды в бассейне до капли.

«В дополнение к калибровке датчиков мы улучшили полевые измерения, изменяя рабочие параметры на лету, — сказал Корроди. — Во время анализа данных мы обнаружили некоторые эффекты, которых не ожидали».

Когда Корроди и его команда увидели сбои в данных, они исследовали систему, чтобы определить причину. Например, некоторые устройства в кольце фокусируют мюонный пучок, чтобы поддерживать его в центре. Однако эти устройства слегка нарушают магнитное поле в кольце. Ученые разработали способ измерить этот эффект, чтобы исключить его из анализа.

Собираем все вместе

Путь данных магнитного поля от зонда к компьютеру сложен. Корроди, Хонг и другие настроили аппаратное и программное обеспечение для считывания данных с полевых датчиков с правильными отметками времени и местоположения. Им также нужно было разобраться в данных, которые начинаются в двоичном коде, чтобы интегрировать их с общей структурой анализа для эксперимента.

«Нам пришлось преобразовать необработанные данные во что-то, с чем мы могли бы работать, — сказал Хонг, — и мы отвечали за контроль качества данных, определяя, какие ошибочные данные отбрасывать в окончательном анализе g-2».

По словам Винтера, Корроди возглавит группу анализа магнитного поля, устраняя конфликты с оборудованием и следя за тем, чтобы различные группы в эксперименте сходились на следующем результате. «Вам действительно нужно понимать весь полевой анализ, чтобы достичь наших научных целей».

Будущее мюонных экспериментов

Первое, что планируют сделать ученые, — это перепроверить результаты.

«Пока что точность окончательного измерения g-2 сравнима с точностью эксперимента в Брукхейвене, но здесь преобладает тот факт, что данные пока ограничены», — сказал Корроди. «Мы проанализировали только 6% данных, которые планируем использовать в течение всего эксперимента. Эти добавленные данные значительно уменьшат неопределенность ».

Первый результат также обнадеживает ученых, проводящих другие текущие и планируемые эксперименты с мюонами, включая будущий эксперимент с g-2, который будет проводиться в Японии, и следующий эксперимент с мюонами в Фермилабе — эксперимент Mu2e. В этих проектах уже используется система соленоидов Argonne для перекрестной калибровки датчиков магнитного поля с датчиками, используемыми в Fermilab.

«Могут быть возобновлены усилия по поиску мюонов на Большом адронном коллайдере в поисках возможных намеков на новую физику, лежащую в основе значения g-2», — сказал Карлос Вагнер, физик-теоретик из HEP в Аргонне, который пытается объяснить эти явления. «Также может возобновиться интерес к созданию мюонного коллайдера, который может предоставить прямой способ проверки этой новой физики».

Как только ученые овладеют этой новой физикой, она сможет дать информацию космологическим и квантово-механическим моделям или даже помочь ученым изобрести новые технологии в будущем — возможно, следующую термоусадочную пленку.

 

⏬