Terwijl wetenschappers wachten op de langverwachte eerste resultaten van het Muon g-2-experiment in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samenwerkende wetenschappers van DOE's Argonne National Laboratory blijven het unieke systeem gebruiken en onderhouden dat het magnetische veld in het experiment met ongekende precisie in kaart brengt.

Wetenschappers van Argonne hebben het meetsysteem geüpgraded, die een geavanceerd communicatieschema en nieuwe magnetische veldsondes en elektronica gebruikt om het veld in kaart te brengen in de 45 meter lange omtrekring waarin het experiment plaatsvindt.

Het experiment, die begon in 2017 en vandaag de dag voortduurt, zou van grote betekenis kunnen zijn op het gebied van de deeltjesfysica. Als vervolg op een experiment in het verleden in het Brookhaven National Laboratory van DOE, het heeft de macht om de eerdere resultaten te bevestigen of te verwerpen, die licht zou kunnen werpen op de geldigheid van delen van het heersende standaardmodel van deeltjesfysica.

Zeer nauwkeurige metingen van belangrijke hoeveelheden in het experiment zijn cruciaal voor het produceren van zinvolle resultaten. De primaire hoeveelheid van belang is de g-factor van het muon, een eigenschap die de magnetische en kwantummechanische eigenschappen van het deeltje kenmerkt.

Het Standaardmodel voorspelt heel precies de waarde van de g-factor van het muon. "Omdat de theorie dit aantal zo duidelijk voorspelt, het testen van de g-factor door middel van experiment is een effectieve manier om de theorie te testen, " zei Simon Corrodi, een postdoctoraal aangestelde in de High Energy Physics (HEP) divisie van Argonne. "Er was een grote afwijking tussen de meting van Brookhaven en de theoretische voorspelling, en als we deze discrepantie bevestigen, het zal het bestaan ​​van onontdekte deeltjes signaleren."

Net zoals de rotatie-as van de aarde vordert - wat betekent dat de polen geleidelijk in cirkels reizen - de spin van het muon, een kwantumversie van impulsmoment, precessie in aanwezigheid van een magnetisch veld. De sterkte van het magnetische veld dat een muon omringt, beïnvloedt de snelheid waarmee zijn spin voortgaat. Wetenschappers kunnen de g-factor van het muon bepalen met behulp van metingen van de spin-precessiesnelheid en de magnetische veldsterkte.

Hoe nauwkeuriger deze eerste metingen zijn, hoe overtuigender het eindresultaat zal zijn. De wetenschappers zijn op weg om veldmetingen te bereiken die nauwkeurig zijn tot 70 delen per miljard. Door dit precisieniveau is de uiteindelijke berekening van de g-factor tot vier keer zo nauwkeurig als de resultaten van het Brookhaven-experiment. Als de experimenteel gemeten waarde significant afwijkt van de verwachte standaardmodelwaarde, het kan wijzen op het bestaan ​​van onbekende deeltjes waarvan de aanwezigheid het lokale magnetische veld rond het muon verstoort.

Trolley rijden

Tijdens het verzamelen van gegevens, een magnetisch veld zorgt ervoor dat een bundel muonen rond een grote, holle ring. Om de magnetische veldsterkte in de hele ring met hoge resolutie en precisie in kaart te brengen, de wetenschappers ontwierpen een trolleysysteem om meetsondes rond de ring te rijden en gegevens te verzamelen.

De Universiteit van Heidelberg ontwikkelde het trolleysysteem voor het Brookhaven-experiment, en Argonne-wetenschappers hebben de apparatuur opgeknapt en de elektronica vervangen. Naast 378 sondes die in de ring zijn gemonteerd om constant veldafwijkingen te bewaken, de trolley bevat 17 sondes die periodiek het veld meten met een hogere resolutie.

"Elke drie dagen, het karretje gaat in beide richtingen om de ring, ongeveer 9, 000 metingen per sonde en richting, " zei Corrodi. "Vervolgens nemen we de metingen om plakjes van het magnetische veld te construeren en dan een volledige, 3D-kaart van de ring."

De wetenschappers weten de exacte locatie van de trolley in de ring van een nieuwe barcodelezer die markeringen op de onderkant van de ring registreert terwijl deze zich verplaatst.

De ring is gevuld met een vacuüm om gecontroleerd verval van de muonen te vergemakkelijken. Om het vacuüm in de ring te behouden, een garage aangesloten op de ring en vacuüm slaat de trolley tussen metingen. Het automatiseren van het laden en lossen van de trolley in de ring vermindert het risico dat de wetenschappers het vacuüm en het magnetische veld in gevaar brengen door interactie met het systeem. Ze hebben ook het stroomverbruik van de elektronica van de trolley geminimaliseerd om de warmte die in het systeem wordt geïntroduceerd te beperken, die anders de nauwkeurigheid van de veldmeting zouden verstoren.

De wetenschappers ontwierpen de trolley en de garage om in het sterke magnetische veld van de ring te werken zonder het te beïnvloeden. "We gebruikten een motor die werkt in het sterke magnetische veld en met een minimale magnetische handtekening, en de motor beweegt de trolley mechanisch, snaren gebruiken, "zei Corrodi. "Dit vermindert ruis in de veldmetingen die door de apparatuur worden geïntroduceerd."

Het systeem gebruikt zo min mogelijk magnetisch materiaal, en de wetenschappers testten de magnetische voetafdruk van elk afzonderlijk onderdeel met behulp van testmagneten aan de Universiteit van Washington en Argonne om de algemene magnetische handtekening van het trolleysysteem te karakteriseren.

De kracht van communicatie

Van de twee kabels die de trolley rond de ring trekken, een ervan fungeert ook als voedings- en communicatiekabel tussen het controlestation en de meetsondes.

Om het veld te meten, de wetenschappers sturen een radiofrequentie door de kabel naar de 17 trolleysondes. De radiofrequentie zorgt ervoor dat de spins van de moleculen in de sonde in het magnetische veld roteren. De radiofrequentie wordt dan op het juiste moment uitgeschakeld, waardoor de spins van de watermoleculen precesseren. Deze benadering wordt nucleaire magnetische resonantie (NMR) genoemd.

De frequentie waarmee de sondes draaien, hangt af van het magnetische veld in de ring, en een digitizer aan boord van de trolley zet de analoge radiofrequentie om in meerdere digitale waarden die via de kabel naar een controlestation worden gecommuniceerd. Op het controlestation, de wetenschappers analyseren de digitale gegevens om de spin-precessiefrequentie te construeren en, van dat, een volledige magnetische veldkaart.

Tijdens het Brookhaven-experiment, alle signalen werden gelijktijdig door de kabel gestuurd. Echter, vanwege de conversie van analoog naar digitaal signaal in het nieuwe experiment, er moeten veel meer data over de kabel, en deze verhoogde snelheid zou de zeer nauwkeurige radiofrequentie kunnen verstoren die nodig is voor de sondemeting. Om deze overlast te voorkomen, de wetenschappers scheidden de signalen in de tijd, schakelen tussen het radiofrequentiesignaal en datacommunicatie in de kabel.

"We voorzien de sondes van een radiofrequentie via een analoog signaal, " zei Corrodi, "en we gebruiken een digitaal signaal om de gegevens te communiceren. De kabel schakelt elke 35 milliseconden tussen deze twee modi."

De tactiek van het schakelen tussen signalen die door dezelfde kabel gaan, wordt "time-division multiplexing, " en het helpt de wetenschappers om specificaties te bereiken voor niet alleen nauwkeurigheid, maar ook geluidsniveaus. Een upgrade van het Brookhaven-experiment, time-division multiplexing zorgt voor mapping met een hogere resolutie en nieuwe mogelijkheden in de analyse van magnetische veldgegevens.

Aankomende resultaten

Zowel het NMR-systeem voor het in kaart brengen van het veld en de bewegingsbesturing ervan zijn met succes in gebruik genomen bij Fermilab en hebben tijdens de eerste drie gegevensverzamelingsperioden van het experiment een betrouwbare werking gehad.

De wetenschappers hebben ongekende precisie bereikt voor veldmetingen, evenals de uniformiteit van het magnetische veld van de ring, in dit Muon g-2-experiment. Wetenschappers analyseren momenteel de eerste gegevensronde van 2018, en ze verwachten de resultaten eind 2020 te publiceren.

De wetenschappers hebben de complexe opzet beschreven in een paper, getiteld "Ontwerp en uitvoering van een in-vacuüm, magnetisch veld mapping systeem voor het Muon g-2 experiment, " gepubliceerd in de Tijdschrift voor Instrumentatie .