Muonen zijn mysterieus, en wetenschappers duiken diep in het deeltje om grip te krijgen op een eigenschap die het - en het universum - een beetje minder mysterieus zou kunnen maken.

Net als elektronen – de lichtere broers en zussen van muonen – zijn het deeltjes met een soort natuurlijke interne magneet. Ze hebben ook een impulsmoment genaamd spin, een soort tol. De combinatie van de spin en de interne magneet van een deeltje wordt de gyromagnetische verhouding genoemd, genaamd "g, " maar eerdere pogingen om het te meten voor muonen hebben intrigerende verrassingen opgeleverd.

Het doel van het Muon g-2-experiment bij Fermilab is om het nauwkeuriger te meten dan ooit tevoren.

Om deze opmerkelijke niveaus van precisie te bereiken, wetenschappers moeten een paar onderdelen van het experiment nauwlettend in de gaten houden, een daarvan is hoe sterk het magnetische veld is. Het team is al maanden bezig met het meten en aanpassen van het magnetische veld en is nu heel dicht bij het bereiken van een stabiel veld voordat de experimenten goed kunnen beginnen.

"We zitten nu in de inbedrijfstellingsperiode van het experiment, waar we in feite leren hoe onze systemen zich gedragen en ervoor zorgen dat alles goed werkt voordat we overgaan op stabiel draaien, " zei David Flay, een wetenschapper van de Universiteit van Massachusetts die werkt aan de kalibratie van het magnetische veld voor Muon g-2.

Muon mysterie

Muon g-2 volgt een intrigerend resultaat op dat werd gezien in het Brookhaven National Laboratory in New York in de vroege jaren 2000, toen het experiment waarnemingen deed van muonen die niet overeenkwamen met theoretische voorspellingen. De cirkelvormige magneet met een diameter van 15 meter, een opslagring genoemd, werd in 2013 over land en zee naar Illinois verscheept en de meting wordt nu uitgevoerd bij Fermilab met vier keer de precisie.

Toen Brookhaven het experiment uitvoerde, het resultaat was verrassend:de muonwaarde van g verschilde aanzienlijk van wat berekeningen zeiden dat het zou moeten zijn, en niemand weet precies waarom. Het is mogelijk dat het experiment zelf gebrekkig was en het resultaat onjuist was, maar het opent ook de deur naar de mogelijkheid van exotische nieuwe deeltjes en theorieën. Met zijn viervoudige toename in precisie, Muon g-2 zal meer licht op de situatie werpen.

Om g te meten, bundels muonen die in de opslagring van het experiment circuleren, worden onderworpen aan een intens magnetisch veld - ongeveer 30, 000 keer de sterkte van het natuurlijke veld van de aarde. Hierdoor roteren de muonen rond het magnetische veld, of preces, op een bepaalde manier. Door deze precessie te meten, het is mogelijk om de waarde van g nauwkeurig te extraheren.

De sterkte van het magnetische veld waaraan de muonen worden blootgesteld, is direct van invloed op hoe ze zich voortplanten, het is dus absoluut cruciaal om uiterst nauwkeurige metingen van de veldsterkte te doen en de uniformiteit ervan in de hele ring te behouden - geen gemakkelijke taak.

Als Muon g-2 het resultaat van Brookhaven ondersteunt, het zou groot nieuws zijn. Het standaardmodel zou opnieuw moeten worden bekeken en het zou een heel nieuw hoofdstuk in de deeltjesfysica openen.

Een leidende theorie om de intrigerende resultaten te verklaren, zijn nieuwe soorten virtuele deeltjes, kwantumverschijnselen die in en uit het bestaan ​​flitsen, zelfs in een verder leeg vacuüm. Alle bekende deeltjes doen dit, maar hun totale effect verklaart niet helemaal de resultaten van Brookhaven. Wetenschappers voorspellen daarom een ​​of meer nieuwe, onontdekte soorten, wiens extra kortstondige aanwezigheid zou kunnen zorgen voor de vreemde muon-waarnemingen.

"De grootste uitdaging tot nu toe is het omgaan met het onverwachte, " zei Joe Grange, wetenschapper bij Argonne National Laboratory die werkt aan het magnetische veld van Muon g-2. "Als er een mysterie opduikt dat relatief snel moet worden opgelost, dingen kunnen hectisch worden. Maar het is ook een van de leukere onderdelen van ons werk."

Het veld aftasten

De magnetische veldsterktemetingen worden gedaan met behulp van kleine, gevoelige elektronische apparaten die sondes worden genoemd. Drie soorten sondes - vast, karretje en duiken - werk samen om een ​​3D-kaart van het magnetische veld in het experiment op te bouwen. Het veld kan na verloop van tijd verschuiven, en dingen als temperatuurveranderingen in het gebouw van het experiment kunnen de vorm van de ring op subtiele wijze beïnvloeden, dus ongeveer 400 vaste sondes zijn net boven en onder de opslagring geplaatst om het veld binnenin constant in de gaten te houden. Omdat deze sondes altijd kijken, de wetenschappers weten wanneer en door hoeveel ze het veld moeten aanpassen om het uniform te houden.

Voor deze metingen is en om de paar dagen wanneer de experimenten worden onderbroken en de muonstraal wordt gestopt, een 0,5 meter lange, gebogen cilindrische trolley op rails met 17 sondes wordt rond de ring gestuurd om een ​​nauwkeurige veldkaart te maken in het gebied waar de muonen zijn opgeslagen. Elke baan duurt een paar uur. De trolley-sondes zijn zelf gekalibreerd door een dompelsonde, die indien nodig op een specifieke locatie in de ring in en uit zijn eigen kamer kan bewegen.

De vaste sondes zijn geïnstalleerd en werken sinds de herfst van 2016, terwijl de 17 trolleysondes onlangs zijn verwijderd, geüpgraded en opnieuw geïnstalleerd.

"De sondes bevinden zich in de ring waar we ze niet kunnen zien, Flay zei. "Dus het is niet eenvoudig om hun posities op elkaar af te stemmen om een ​​nauwkeurige kalibratie tussen hen te krijgen."

Het team ontwikkelde enkele innovatieve oplossingen om dit probleem aan te pakken, inclusief een barcode-achtig systeem in de ring, die de trolley scant om door te geven waar hij is terwijl hij zich verplaatst.

Globaal g-2

Muon g-2 is een internationale samenwerking georganiseerd door Fermilab. Samen met wetenschappers van Fermilab, Argonne, en Brookhaven, verschillende universiteiten in de VS werken met internationale medewerkers uit landen zo breed als Zuid-Korea, Italië en het VK. In totaal, zo'n 30 instellingen en 150 mensen werken aan het experiment.

"Het zijn de gedetailleerde inspanningen van de Argonne, Universiteit van Washington, University of Massachusetts en University of Michigan teams die deze betrouwbare, kwaliteitstools die ons een compleet beeld geven van het magnetische veld, zei Brendan Kiburg, Fermilab-wetenschapper werkt aan Muon g-2. "Het heeft jaren van nauwgezet werk gekost."

Het team werkt eraan om het belangrijkste deel van de veldsterktemeting van het inbedrijfstellingsproces begin 2018 af te ronden. voordat we gaan analyseren hoe de muonen het gegenereerde veld precies ervaren. Het is de bedoeling dat het experiment in februari 2018 volledig van start gaat.