Wetenschappers testen ons fundamentele begrip van het universum, en er is nog veel meer te ontdekken.

Wat doen touchscreens, bestralingstherapie en krimpfolie gemeen hebben? Ze zijn allemaal mogelijk gemaakt door deeltjesfysica-onderzoek. Ontdekkingen van hoe het universum werkt op de kleinste schaal leiden vaak tot enorme vooruitgang in technologie die we elke dag gebruiken.

Wetenschappers van het Argonne National Laboratory en Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), samen met medewerkers van 46 andere instellingen en zeven landen, voeren een experiment uit om ons huidige begrip van het universum op de proef te stellen. Het eerste resultaat wijst op het bestaan ​​van onontdekte deeltjes of krachten. Deze nieuwe fysica zou kunnen helpen bij het verklaren van al lang bestaande wetenschappelijke mysteries, en het nieuwe inzicht draagt ​​bij aan een schat aan informatie die wetenschappers kunnen aanboren bij het modelleren van ons universum en het ontwikkelen van nieuwe technologieën.

Het experiment, Muon g-2 (uitgesproken als Muon g minus 2), volgt er een die begon in de jaren '90 bij DOE's Brookhaven National Laboratory, waarin wetenschappers een magnetische eigenschap hebben gemeten van een fundamenteel deeltje dat het muon wordt genoemd.

Het Brookhaven-experiment leverde een resultaat op dat afweek van de waarde voorspeld door het Standaardmodel, de beste beschrijving van wetenschappers van de samenstelling en het gedrag van het universum tot nu toe. Het nieuwe experiment is een recreatie van Brookhaven's, gebouwd om de discrepantie met hogere precisie uit te dagen of te bevestigen.

Het standaardmodel voorspelt heel nauwkeurig de g-factor van het muon - een waarde die wetenschappers vertelt hoe dit deeltje zich gedraagt ​​in een magnetisch veld. Van deze g-factor is bekend dat deze dicht bij de waarde twee ligt, en de experimenten meten hun afwijking van twee, vandaar de naam Muon g-2.

Het experiment in Brookhaven gaf aan dat g-2 enkele delen per miljoen afweek van de theoretische voorspelling. Dit minuscule verschil duidde op het bestaan ​​van onbekende interacties tussen het muon en het magnetische veld - interacties waarbij nieuwe deeltjes of krachten betrokken kunnen zijn.

Het eerste resultaat van het nieuwe experiment komt sterk overeen met dat van Brookhaven, het versterken van het bewijs dat er nieuwe natuurkunde te ontdekken is. De gecombineerde resultaten van Fermilab en Brookhaven laten een verschil zien met het standaardmodel bij een significantie van 4,2 sigma (of standaarddeviaties), iets minder dan de 5 sigma die wetenschappers nodig hebben om een ​​ontdekking te claimen, maar nog steeds overtuigend bewijs van nieuwe fysica. De kans dat de resultaten een statistische fluctuatie zijn is ongeveer 1 op 40, 000.

Deeltjes buiten het standaardmodel kunnen helpen bij het verklaren van raadselachtige verschijnselen in de natuurkunde, zoals de aard van donkere materie, een mysterieuze en doordringende substantie waarvan natuurkundigen weten dat ze bestaan, maar die ze nog moeten detecteren.

"Dit is een ongelooflijk spannend resultaat, " zei Ran Hong van Argonne, een postdoctoraal aangestelde die meer dan vier jaar aan het Muon g-2-experiment heeft gewerkt. "Deze bevindingen kunnen grote implicaties hebben voor toekomstige experimenten met deeltjesfysica en kunnen leiden tot een beter begrip van hoe het universum werkt."

Het team van wetenschappers van Argonne heeft een belangrijke bijdrage geleverd aan het succes van het experiment. De originele ploeg, samengesteld en geleid door natuurkundige Peter Winter, inclusief Argonne's Hong en Simon Corrodi, evenals Suvarna Ramachandran en Joe Grange, die sindsdien Argonne hebben verlaten.

"Dit team heeft een indrukwekkende en unieke vaardigheden met een hoge expertise op het gebied van hardware, operationele planning en data-analyse, " zei Winter, die de Muon g-2-bijdragen van Argonne leidt. "Ze hebben een essentiële bijdrage geleverd aan het experiment, en we hadden deze resultaten niet kunnen behalen zonder hun werk."

Om de ware g-2 van het muon af te leiden, de wetenschappers van Fermilab produceren bundels muonen die in een cirkel door een grote, holle ring in aanwezigheid van een sterk magnetisch veld. Dit veld houdt de muonen in de ring en zorgt ervoor dat de draairichting van een muon roteert. de rotatie, die wetenschappers precessie noemen, is vergelijkbaar met de rotatie van de aardas, alleen veel, veel sneller.

Om g-2 tot de gewenste precisie te berekenen, de wetenschappers moeten twee waarden meten met zeer hoge zekerheid. Een daarvan is de snelheid van de spin-precessie van het muon terwijl het door de ring gaat. De andere is de sterkte van het magnetische veld rond het muon, die zijn precessie beïnvloedt. Dat is waar Argonne binnenkomt.

Excursie

Hoewel de muonen door een indrukwekkend constant magnetisch veld reizen, veranderingen in de omgevingstemperatuur en effecten van de hardware van het experiment veroorzaken kleine variaties in de ring. Zelfs deze kleine verschuivingen in veldsterkte, indien niet verantwoord, kan de nauwkeurigheid van de g-2-berekening aanzienlijk beïnvloeden.

Om de veldvariaties te corrigeren, de wetenschappers meten constant het drijvende veld met behulp van honderden sondes die aan de wanden van de ring zijn gemonteerd. In aanvulling, ze sturen elke drie dagen een karretje rond de ring om de veldsterkte te meten waar de muonbundel daadwerkelijk doorheen gaat. Op de trolley zijn sondes gemonteerd die het magnetische veld met ongelooflijk hoge precisie in kaart brengen over de 45 meter lange omtrek van de ring.

Om het uiteindelijke onzekerheidsdoel van minder dan 70 delen per miljard te bereiken (ongeveer 2,5 keer beter dan de veldmeting in het vorige experiment), Wetenschappers van Argonne hebben het trolleysysteem dat in het Brookhaven-experiment werd gebruikt, opgeknapt met geavanceerde communicatiemogelijkheden en nieuwe, ultraprecieze magnetische veldsondes ontwikkeld door de Universiteit van Washington.

De trolley gaat in beide richtingen om de ring, ongeveer 9, 000 metingen per sonde en richting. De wetenschappers gebruiken de metingen om plakjes van het magnetische veld te reconstrueren en vervolgens een volledige, 3D-kaart van het veld in de ring. Veldwaarden op punten op de kaart worden meegenomen in de g-2-berekening voor muonen die door die locaties gaan. Hoe beter de veldmetingen, hoe betekenisvoller het eindresultaat.

De wetenschappers hebben ook enkele van de analoge signalen die in het oude experiment werden gebruikt, omgezet in digitale signalen om de hoeveelheid gegevens die ze van de sondes konden verkrijgen te vergroten. Dit vereiste een complexe engineering van het communicatiesysteem van de trolley om verstoringen van de gevoelige sondeermechanismen tot een minimum te beperken.

"Het was een hele uitdaging om de trolley soepel en veilig te laten werken. Het besturingssysteem moest routinehandelingen afhandelen, maar ook noodsituaties identificeren en adequaat reageren, " zei Hong, wiens achtergrond in zowel wetenschappelijk onderzoek als engineering cruciaal was voor het ontwerpen van de trolley om te werken met een beperkte verstoring van het experiment.

Het team is van plan om het trolleysysteem de komende periode te upgraden om de metingen verder te verbeteren door de onzekerheid beetje bij beetje te verminderen.

Scherpstellen

In precisie-experimenten zoals Muon g-2, het belangrijkste doel is om elke systematische onzekerheid of fout die de metingen zou kunnen beïnvloeden, te verminderen.

"Het meten van de ruwe cijfers is relatief eenvoudig - uitzoeken hoe goed we de cijfers kennen, is de echte uitdaging, " zei Corrodi, een postdoctoraal aangestelde in de High Energy Physics-divisie (HEP) van Argonne.

Om de nauwkeurigheid van de magnetische veldmetingen te garanderen, de wetenschappers hebben de sondes gekalibreerd met behulp van Argonne's 4-Tesla Solenoid Facility, waarin zich een magneet bevindt van een voormalige MRI-scanner (magnetic resonance imaging). De magneet produceert een uniform en stabiel magnetisch veld met meer dan 400 keer de sterkte van een koelkastmagneet.

Wetenschappers van Argonne kalibreerden de sondes in de trolley tegen de metingen van een sonde die was ontworpen en getest in de magneetmagneet. Dit proces zorgt ervoor dat de sondes elk dezelfde meting lezen in hetzelfde magnetische veld en stelt de wetenschappers in staat om nauwkeurige correcties aan te brengen. Dankzij de testfaciliteit konden de wetenschappers veldmetingen uitvoeren tot enkele delen per miljard, zoals het meten van het watervolume in een zwembad tot op de druppel.

"Naast het kalibreren van de sondes, we hebben de veldmetingen verbeterd door de bedieningsinstellingen direct aan te passen, " zei Corrodi, "Tijdens de data-analyse we hebben enkele effecten gevonden die we niet hadden verwacht."

Toen Corrodi en het team fouten in de gegevens zagen, ze onderzochten het systeem om de oorzaak te achterhalen. Bijvoorbeeld, bepaalde apparaten in de ring focussen de muonstraal om deze gecentreerd te houden. Deze apparaten, echter, het magnetische veld in de ring enigszins verstoren. De wetenschappers ontwierpen een manier om dit effect te meten om het uit de analyse te verwijderen.

Alles op een rijtje

De reis van de magnetische veldgegevens van sonde naar computer is complex. Corrodi, Hong en anderen hebben de hardware en software geconfigureerd om de gegevens van de veldsondes te lezen met de juiste tijd- en locatiestempels. Ze moesten ook de gegevens begrijpen, die beginnen in binaire code, om ze te integreren met het gemeenschappelijke analysekader voor het experiment.

"We moesten de ruwe data omzetten in iets waarmee we konden werken, " zei Hong, "en we waren verantwoordelijk voor de kwaliteitscontrole van de gegevens, bepalen welke gebrekkige gegevens weggegooid moeten worden in de ultieme g-2-analyse."

Corrodi zal het analyseteam voor het magnetische veld leiden, het oplossen van conflicten met apparatuur en ervoor zorgen dat de verschillende teams in het experiment samenkomen voor het volgende resultaat, zei Winter. "Je moet echt de hele veldanalyse begrijpen om onze wetenschappelijke doelen te bereiken."

De toekomst van muon-experimenten

Het eerste dat de wetenschappers van plan zijn te doen, is de resultaten dubbel te controleren.

"Tot dusver, de precisie van de uiteindelijke g-2-meting is vergelijkbaar met die van het Brookhaven-experiment, maar dat wordt gedomineerd door het feit dat de gegevens tot nu toe beperkt zijn, " zei Corrodi. "We hebben slechts 6% van de gegevens geanalyseerd die we van plan zijn het hele experiment over te nemen. Die toegevoegde gegevens zullen de onzekerheid aanzienlijk verminderen."

Het eerste resultaat is ook bemoedigend voor wetenschappers die andere huidige en geplande muon-experimenten uitvoeren, inclusief een toekomstig g-2-experiment dat in Japan zal worden uitgevoerd, en het volgende muon-experiment bij Fermilab - het Mu2e-experiment. Deze projecten maken al gebruik van Argonne's Solenoid Facility om hun magnetische veldsondes kruiselings te kalibreren met de sondes die bij Fermilab worden gebruikt.

"Er kan een hernieuwde poging zijn om naar muonen te zoeken bij de Large Hadron Collider, zoeken naar mogelijke hints van de nieuwe fysica achter de g-2-waarde, " zei Carlos Wagner, een theoretisch fysicus in de HEP van Argonne, die probeert deze verschijnselen te verklaren. "Er zou ook hernieuwde belangstelling kunnen zijn voor de bouw van een muonversneller, wat een directe manier zou kunnen zijn om deze nieuwe fysica te controleren."

Zodra wetenschappers grip krijgen op deze nieuwe fysica, het kan mogelijk kosmologische en kwantummechanische modellen informeren, of zelfs wetenschappers helpen om later nieuwe technologieën uit te vinden - de volgende krimpfolie, misschien.

De samenwerking publiceerde een paper over het resultaat in Fysieke beoordelingsbrieven , getiteld "Meting van het positieve muon afwijkende magnetische moment tot 0,46 ppm." Een paper over de meting van het magnetische veld werd ook gepubliceerd in: Fysieke beoordeling A , getiteld "Meting en analyse van het magnetische veld voor het Muon g-2-experiment in Fermilab."