Wetenschappers van de nationale laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) werken samen om een ​​magnetische eigenschap van het muon te testen. Hun experiment zou kunnen wijzen op het bestaan ​​van natuurkunde die ons huidige begrip te boven gaat, inclusief onontdekte deeltjes.

Het experiment volgt op een experiment dat begon in 1999 in het Brookhaven National Laboratory van het DOE, waarin wetenschappers de spin-precessie van het muon hebben gemeten, d.w.z. de snelheid waarmee de spin van richting verandert - om anders te zijn dan de theoretische voorspellingen. Wetenschappers van Argonne National Laboratory en Fermi National Accelerator Laboratory, samen met medewerkers van meer dan 25 andere instellingen, maken het experiment met veel hogere precisie opnieuw om de eerdere eerdere resultaten te bevestigen of te weerleggen.

Het muon is als de (zeer) grote broer van het elektron; ze hebben dezelfde lading, maar het muon is meer dan 200 keer massiever. De twee delen ook dezelfde spin, een kwantummechanische eigenschap die het gedrag van een deeltje in aanwezigheid van een magnetisch veld bepaalt.

Deeltjes met spin werken als kleine magneten, en wanneer geplaatst in een magnetisch veld, hun spins veranderen van richting in een cirkelvormige beweging, net als een draaiende gyroscoop. De snelheid van de spin-precessie van een deeltje wordt bepaald door een hoeveelheid die bekend staat als de g-factor, die afhangt van de spin van het deeltje en de sterkte van het magnetische veld waarin het beweegt.

In moderne kwantummechanische theorieën, de stofzuiger is niet leeg. Het zit vol met bellen van zogenaamde virtuele deeltjes, verschijnen en verdwijnen zeer snel. Interacties tussen deze virtuele deeltjes en een echt deeltje, zoals de muon, kan veranderen hoe het echte deeltje interageert met het magnetische veld, invloed op de g-factor. Theoretisch natuurkundigen hebben berekend, gebaseerd op ons huidige begrip van de fundamentele structuur van de natuur, alle manieren waarop elk bekend deeltje de g-factor van het muon beïnvloedt, maar de metingen die Brookhaven-wetenschappers deden, verschilden met een paar deeltjes per miljoen van wat ze verwachtten. Dit verschil, als het aanhoudt in het nieuwe experiment, zou wijzen op een volledig nieuwe fysica - een opwindende ontdekking voor deeltjesfysici.

"Als er daadwerkelijk een discrepantie is tussen de voorspelde en gemeten waarden, het is een verder bewijs dat het standaardmodel, ons huidige begrip van de inhoud van het universum, is onvolledig, " zei Argonne-fysicus Peter Winter. "Het onverwachte effect zou te wijten kunnen zijn aan een onontdekt deeltje."

In het nieuwe experiment gevestigd in Fermilab, een straal zal in een cirkel door een grote, holle ring door de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. Hetzelfde magnetische veld zal ook leiden tot de precessie van de muon-spins terwijl ze rond de ring cirkelen. De wetenschappers kunnen de g-factor berekenen door de spin-precessie van de muonen te detecteren en de magnetische veldsterkte in de ring te kennen.

Om de gewenste precisie te bereiken, zowel de spin-precessiefrequentie als de sterkte van het magnetische veld moeten worden gemeten met onzekerheden van minder dan 70 delen per miljard. De onderzoeksgroep van Argonne heeft de verantwoordelijkheid op zich genomen om het magnetische veld met zo'n hoge precisie te meten. "Het spel van ons experiment is om elke systematische onzekerheid te beheersen die onze precieze metingen zou kunnen verstoren, ' zei Winter.

Dit precisieniveau vereist zeer gevoelige sondeerapparatuur die de wetenschappers hebben gekalibreerd met behulp van zeer stabiele en geïsoleerde velden die worden geproduceerd door gerecyclede magnetische resonantiebeeldvormingsmachines in Argonne.

Nadat ze de sondes hadden gekalibreerd, de wetenschappers plaatsten er 17 op een cirkelvormige trolley die rond de ring bij Fermilab beweegt. De trolley meet het veld rond de 10, 000 punten, het maken van een kaart van de veldsterkte overal in de ring. De trolley rust op twee rails die langs de zijkanten van de buis lopen, en de wetenschappers verplaatsen de trolley rond de ring met behulp van twee kabels die aan gemotoriseerde spoelen zijn bevestigd.

"Deze trolley moet in een vacuüm bewegen, " zei Ran Hong, een postdoctoraal aangestelde van Argonne over de studie, "Dus om zowel de beweging ervan te beheersen als de gegevens van de sondes te ontvangen, is een hele uitdaging."

Om het veld zo min mogelijk te verstoren, slechts een enkele geïsoleerde signaalkabel verbindt de trolley met de buitenwereld. Deze kabel stuurt informatie naar de trolley om deze door de lus te leiden, en het stuurt de gegevens van de sondes terug naar de controlekamer.

Het oudere systeem dat in Brookhaven werd gebruikt voor het experiment van dat laboratorium, stuurde de informatie met een analoog signaal, maar wetenschappers en ingenieurs van Argonne hebben het signaal gedigitaliseerd om de hoeveelheid verkregen gegevens te vergroten. "De toegang tot meer ruwe data zorgt voor een betere analyse, en het heeft geleid tot een 10-voudige toename in precisie, ' zei Winter.

Door de grotere digitale dataset, de kabel kan informatie slechts in één richting tegelijk verzenden. "We moeten heen en weer schakelen tussen het verzenden van de trolley-instructies en het ontvangen van de gegevens, " zei Hong. "Ongeveer elke 20 milliseconden, de richting verandert."

De wetenschappers zijn al zes jaar bezig met het opzetten van het Muon g-2-experiment. Dit jaar, ze zullen officiële gegevens gaan gebruiken. Het experiment duurt maanden, het meten van de spin-precessie van ongeveer een biljoen muonen. Elke twee tot drie dagen, het experiment zal pauzeren om de kar het veld te laten meten, en kleinere sondes aan de buitenkant van de vacuümkamer zullen het veld te allen tijde schatten terwijl het experiment loopt.

"In tegenstelling tot grootschalige experimenten die onbekende deeltjes rechtstreeks proberen te detecteren, onze aanpak is om te zoeken naar indirecte effecten die iets op zeer kleine schaal veranderen, " zei Winter. "Door deze factor heel precies te meten, we kunnen afleiden of er iets nieuws is of niet."

Als de nieuwe gegevens de vorige meting bevestigen, de wetenschappers zijn van plan het experiment met nog hogere precisie uit te voeren. Analyse van deze nieuwe gegevens zou een voorproefje kunnen geven van de aard van de nieuwe fysica, en zou kunnen aangeven welke detector zou moeten worden gebouwd om de potentiële nieuwe deeltjes direct waar te nemen.