Een beperkende factor in moderne natuurkundige experimenten is de precisie waarmee wetenschappers belangrijke waarden kunnen meten, zoals het magnetische veld in een detector. Wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en hun medewerkers hebben een unieke faciliteit ontwikkeld om veldmeetapparatuur te kalibreren en hun limieten binnen krachtige magnetische velden te testen.

De faciliteit is voorzien van een magneetmagneet uit een voormalige MRI-scanner (magnetic resonance imaging) die oorspronkelijk in een ziekenhuis in San Francisco was gehuisvest. De magneet produceert een maximaal veld van 4 Tesla, meer dan 400 keer de sterkte van een koelkastmagneet. Zijn grote opening, oorspronkelijk bedoeld om een ​​patiënt vast te houden tijdens een MRI-scan, geeft wetenschappers voldoende ruimte om apparaten en machines in het magnetische veld te plaatsen. Het door de magneet geproduceerde veld is ook uitzonderlijk uniform en stabiel, een vereiste voor het kalibreren van meetapparatuur met de ultrahoge precisie die nodig is voor veel deeltjes- en kernfysica-experimenten.

"We hebben met verschillende onderzoekers samengewerkt, in Argonne en van andere instellingen, die een sterk magnetisch veld en grote boring nodig hebben om hun onderzoek te testen, " zei Peter Winter, fysicus en groepsleider in de High Energy Physics-divisie van Argonne. "Wetenschappers brengen hun apparaten en elektronica mee, en wij leveren onze magneet, expertise en infrastructuur om de processen te helpen automatiseren en het succes van de tests te verzekeren."

Het team is op zoek naar nieuwe gebruikers om het applicatieportfolio van de faciliteit verder uit te breiden.

Kalibratiestation

Een primaire toepassing van de elektromagnetische testfaciliteit van Argonne is het kalibreren en kruiskalibreren van meetsondes om een ​​hoge precisie te bereiken en om consistentielagen toe te voegen tussen vergelijkbare experimenten over de hele wereld.

Oorspronkelijk, Wetenschappers van Argonne verwierven de magneet om verschillende sondes te testen en te kalibreren die zijn ontwikkeld door de Universiteit van Massachusetts voor het meten van het magnetische veld in het Muon g minus 2 (Muon g-2) experiment dat momenteel plaatsvindt in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) van DOE. Dankzij de testfaciliteit konden de wetenschappers nauwkeurige veldmetingen uitvoeren tot enkele delen per miljard, zoals het meten van de omtrek van de aarde tot ongeveer vijf centimeter.

Nauwkeurige meting van het veld in het experiment is cruciaal omdat de magnetische veldsterkte een belangrijke speler is bij de uiteindelijke bepaling van g, een eigenschap van het muon waarvan de bepaling ofwel de huidige theorieën over deeltjesfysica zal bevestigen ofwel zal wijzen op het bestaan ​​van onontdekte deeltjes.

"Deze faciliteit heeft het magnetische veldteam op Muon g-2 in staat gesteld om strikte doelen van het experiment te bereiken door onzekerheden te verminderen en de robuustheid van onze metingen te verbeteren, " zei David Kawall, een natuurkundige en professor van de Universiteit van Massachusetts. "Zover ik weet, er zijn geen peer-faciliteiten in de wereld, en toegang hebben tot deze gereedschappen in Argonne is essentieel geweest voor het succes van de magnetische veldinspanning op Muon g-2."

Toekomstige g-2-experimenten zullen in Japan worden uitgevoerd in het Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) van de High Energy Accelerator Research Organization (KEK). De Japanse medewerkers, onder leiding van Ken-ichi Sasaki, gebruiken de faciliteit om hun magnetische veldsondes kruiselings te kalibreren met die van Fermilab.

"Door ervoor te zorgen dat onze sondes allemaal dezelfde waarden lezen in hetzelfde magnetische veld, we voegen zekerheid toe aan de metingen van beide g-2-experimenten, " zei Sasaki, die professor is aan KEK en subsectieleider van de cryogene sectie in J-PAARC.

Nog een muon-experiment, het Muonium-spectroscopie-experiment met behulp van microgolven (MuSEUM), zal bijdragen aan het Japanse g-2-experiment door de massaverhouding van het muon tot het elektron nauwkeurig te meten, een waarde die ook in de g-2-bepaling is opgenomen.

Het experiment bij KEK in Japan maakt gebruik van zeer vergelijkbare nucleaire magnetische resonantie (NMR) kalibratiesondes als het g-2-experiment. De ontwikkeling van de sonde voor MuSEUM is geleid door Toya Tanaka, een afgestudeerde student aan de Universiteit van Tokio die de solenoïde-faciliteit gebruikt om de sondes van het experiment te kalibreren. De samenwerking tussen Japanse en Amerikaanse wetenschappers zal ervoor zorgen dat zowel g-2-experimenten als het MuSEUM-experiment een consistente veldmeting hebben.

Ontwikkeling van helium- en Hall-sondes

Door een samenwerking met Thomas Strauss van Fermilab, een andere Japanse groep, onder leiding van Norihito Ohuchi en Yasushi Arimoto van KEK, gebruikt de faciliteit om hun eigen sonde te kalibreren - een Hall-sonde genaamd - voor het aanstaande SuperKEKB-experiment.

Hoewel minder nauwkeurig dan de NMR-sondes die in de huidige g-2-experimenten worden gebruikt, Hall-sondes kunnen niet alleen de grootte van een magnetisch veld meten met de veldgradiënt, maar ook de richting ervan.

SuperKEKB, een onlangs geüpgraded, drie kilometer elektron-positron-versneller, versnelt deeltjes genaamd elektronen en positronen zeer dicht bij de lichtsnelheid. De wetenschappers zullen de metingen van deeltjes die bij botsingen zijn ontstaan, gebruiken om een ​​mogelijke verklaring voor de asymmetrie tussen materie en antimaterie in het universum te onderzoeken.

Het SuperKEKB-experiment omvat vijf supergeleidende magneetmagneten in het botsende gebied van de bundel. De magneetvelden hebben een grote invloed op de efficiëntie van de botsingen. Om de efficiëntie van de bundelbotsing te verhogen, het team zal de gekalibreerde gegevens van Hall-sondes gebruiken om preciezere magneetveldprofielen te maken.

"Met behulp van de testfaciliteit van Argonne, we geloven dat we de nauwkeurigheid van de Hall-sondes met één orde van grootte kunnen verbeteren, " zei Ohuchi, die professor is aan KEK en leider van de supergeleidende magneetgroep in het Accelerator Laboratory. "Hierdoor kunnen we de complexe magnetische velden van de SuperKEKB-magneten in kaart brengen en de kwaliteit van de stralen verbeteren."

Een ander aankomend experiment bij Fermilab, genaamd Mu2e, zal ook Hall-sondes gebruiken voor het in kaart brengen van het veld. Het experiment gebruikt een magneet zoals die van Argonne, maar groter, om muon-interacties te meten. Het heersende standaardmodel van deeltjesfysica laat muonen op een specifieke manier vervallen, maar voor dit experiment wetenschappers zullen zoeken naar een verboden interactie waarvan het optreden het standaardmodel zou schenden en zou wijzen op nieuwe fysica.

Het vermogen van Hall-sondes om de richting van een veld te meten, maakt het de geprefereerde sonde voor het Mu2e-experiment, maar de toegevoegde capaciteit vereist nog meer kwaliteitscontrole. Wetenschappers van Argonne hebben de verantwoordelijkheid genomen voor het in kaart brengen van het veld in het Mu2e-experiment, en ze gebruiken de testfaciliteit om de sondes te kalibreren.

"Als je een kleine afwijking hebt tussen de richting van waaruit de sonde zijn meting leest en waar het veld daadwerkelijk wijst, de meting kan zeer snel afwijken van de werkelijke waarde, " zei Bob Wagner, leider van het field mapping team in Argonne. "Onze magneet stelt ons in staat om de assen van de sondes uit te lijnen met het veld en met elkaar."

Naarmate Hall-sondes nauwkeuriger en nauwkeuriger worden met behulp van de testfaciliteit van Argonne, een nieuwe sonde - een die helium gebruikt - maakt zijn debuut. Een groep onderzoekers van de Universiteit van Michigan, onder leiding van professor Tim Chupp en Midhat Farooq, ontwikkelde de nieuwe kalibratiesonde om als extra controle voor meetvelden te fungeren

De heliumisotoop in de sonde, helium-3, is een inert gas dat zich anders gedraagt ​​dan het water dat in traditionele sondes wordt gebruikt en mogelijk nauwkeuriger is. "We hebben de Argonne-testmagneet gebruikt om onze sonde kruiselings te kalibreren met twee watersondes, waaronder een met hetzelfde ontwerp als de UMass-sonde, en vond overeenstemming met hoge precisie, bevestigen dat eventuele effecten die we niet hadden overwogen vrij klein zijn, "zei Chupp. "Onze volgende stap is kruiskalibratie van de UMass-sonde met een verbeterde helium-3-sonde die nog nauwkeuriger zal zijn."

Farooq en team publiceerden een paper in Fysieke beoordelingsbrieven in juni 2020 over het succes van hun heliumsonde.

Een groeiende lijst met toepassingen

Sinds de acceptatie van de eerste groep externe gebruikers - wetenschappers van de Stony Brook University die een magnetische mantel testten om elektronica af te schermen in experimenten - zijn de toepassingen en het gebruikersbestand van de faciliteit aanzienlijk gegroeid.

Naast sondekalibratie, de magneet heeft ook geholpen bij het testen en ontwikkelen van een verscheidenheid aan experimentele apparatuur. Argonne's Junqi Xie, een wetenschapper in de Physics-divisie van het lab, gebruikt de magneet om detectoren te ontwikkelen die in hoge magnetische velden werken voor fotogevoelige toepassingen. De detectoren zullen toekomstige toepassingen hebben in de Electron-Ion Collider die zal worden gebouwd in het Brookhaven National Laboratory van DOE.

Fermilab gebruikte de magneet onlangs om hun lasermeetsystemen te testen die ze gebruiken om afstanden te meten en apparatuur uit te lijnen in experimenten. Ze testten het vermogen van verschillende lasertrackers, die afstanden kan meten op submillimeterniveau, nauwkeurig te blijven in de aanwezigheid van hoge magnetische velden.

"De faciliteit is ook nuttig geweest voor het opleiden van de volgende generatie wetenschappers, " zei Kawall, "en de gevormde internationale samenwerkingen zullen van blijvende voordelen zijn."