Lucrând pentru a face lumină asupra modelului standard de fizică a particulelor

Variații tipice ale câmpului magnetic așa cum este cartografiat de căruță în diferite poziții ale inelului de stocare al experimentului Muon g-2, prezentate la nivelul părților per milion. Credit: Laboratorul Național Argonne

Cartografierea câmpului magnetic pentru experimentul Muon g-2 al Fermilab.

În timp ce oamenii de știință așteaptă rezultatele inițiale așteptate ale experimentului Muon g-2 la Laboratorul Național de Accelerare (DOE) al Departamentului Energiei, oamenii de știință colaboratori de la Laboratorul Național Argonne al DOE continuă să utilizeze și să întrețină singurul sistem. care mapează câmpul magnetic la experiment cu o precizie fără precedent.

Oamenii de știință din Argonne au actualizat sistemul de măsurare, care folosește o schemă de comunicații avansată și noi sonde de câmp magnetic și electronic pentru a mapa câmpul de-a lungul inelului de circumferință de 45 de metri în care are loc experimentul.

“A existat o mare abatere între măsura Brookhaven și predicția teoretică și, dacă confirmăm această discrepanță, aceasta va indica existența particulelor nedescoperite”. – Simon Corrodi, numit membru postdoctoral în divizia HEP din Argonne

Experimentul, care a început în 2017 și continuă astăzi, ar putea avea o mare consecință asupra câmpului fizicii particulelor. Ca urmare a unui experiment efectuat la Laboratorul Național Brookhaven al DOE, acesta are puterea de a afirma sau de a reduce rezultatele anterioare, care ar putea arunca o lumină asupra validității unor părți ale modelului standard actual de fizică a particulelor.

Măsurători de înaltă precizie ale cantităților semnificative din experiment sunt cruciale pentru a produce rezultate semnificative. Valoarea principală a dobânzii este factorul muon g, o proprietate care caracterizează atributele cuantice magnetice și mecanice ale particulei.

Modelul standard prezice foarte precis valoarea factorului g al muonului. “Deoarece teoria prezice acest număr atât de clar, testarea factorului g folosind experimentul este o modalitate eficientă de a testa teoria”, a declarat Simon Corrodi, un coleg postdoctoral în divizia Fizică de energie înaltă (HEP) a Argonne. “A existat o mare abatere între măsura Brookhaven și predicția teoretică și, dacă confirmăm această discrepanță, aceasta va indica existența particulelor nedescoperite”.

În același mod în care axa de rotație a Pământului precede, adică polii se deplasează treptat în cercuri, rotirea muonului, o versiune cuantică a impulsului unghiular, precede în prezența unui câmp magnetic. Puterea câmpului magnetic care înconjoară un muon influențează viteza cu care se rotește. Oamenii de știință pot determina factorul g al muonului măsurând rata de rotație a precesiei și intensitatea câmpului magnetic.

Cu cât aceste măsuri inițiale sunt mai precise, cu atât rezultatul final va fi mai convingător. Oamenii de știință sunt pe drumul cel bun pentru a realiza măsurători pe teren cu o precizie de 70 de părți pe miliard. Acest nivel de precizie permite calcularea finală a factorului g să fie exactă de până la patru ori mai exactă a rezultatelor experimentului Brookhaven. Dacă valoarea măsurată experimental diferă semnificativ de valoarea modelului standard așteptat, aceasta poate indica existența particulelor necunoscute a căror prezență perturbă câmpul magnetic local din jurul muonului.

Plimbare cu masina

În timpul colectării datelor, un câmp magnetic determină un pachet de muoni să se deplaseze în jurul unui inel gol gol. Pentru a atribui puterea câmpului magnetic întregului inel cu o rezoluție și o precizie ridicate, oamenii de știință au proiectat un sistem de căruțe pentru a conduce sondele de măsurare în jurul inelului și a colecta date.

Cărucior experiment Fermilab Muon g-2

Sistem de cărucioare complet cu roți pentru montare pe șine și noul cititor de coduri de bare extern pentru o măsurare exactă a poziției. Carcasa cilindrică lungă de 50 cm include 17 sonde RMN și electronice de control și citire personalizate. Credit: Laboratorul Național Argonne

Universitatea din Heidelberg a dezvoltat sistemul de cărucioare pentru experimentul Brookhaven, iar oamenii de știință din Argonne au reformat echipamentul și au înlocuit electronica. În plus față de 378 de sonde care sunt montate în interiorul inelului pentru a monitoriza constant derivațiile de câmp, trăsura conține 17 sonde care măsoară periodic câmpul cu o rezoluție mai mare.

“La fiecare trei zile, căruciorul înconjoară inelul în ambele direcții, luând aproximativ 9.000 de măsurători pe sondă și direcție”, a spus Corrodi. „Luăm apoi măsuri pentru a construi felii de câmp magnetic și apoi o hartă 3D completă a inelului.”

Oamenii de știință știu locația exactă a căruței în inel dintr-un nou cititor de coduri de bare care înregistrează urme în partea de jos a inelului în timp ce se mișcă.

Inelul este umplut cu un vid pentru a facilita dezintegrarea controlată a muonilor. Pentru a păstra vidul în interiorul inelului, un garaj conectat la inel și vidul stochează căruciorul între măsurători. Automatizarea procesului de încărcare și descărcare a căruței în inel reduce riscul ca oamenii de știință să compromită vidul și câmpul magnetic atunci când interacționează cu sistemul. De asemenea, au minimizat consumul de energie al electronicii camionului pentru a limita căldura introdusă în sistem, ceea ce ar altera acuratețea măsurării câmpului.

Oamenii de știință au proiectat căruciorul și garajul pentru a opera pe câmpul magnetic puternic al inelului, fără a fi influențați de acesta. “Am folosit un motor care funcționează pe un câmp magnetic puternic și cu o semnătură magnetică minimă, iar motorul deplasează căruța mecanic prin intermediul unor corzi”, a spus Corrodi. “Acest lucru reduce zgomotul în măsurătorile de teren introduse de echipă.”

Sistemul folosește cea mai mică cantitate de material magnetic posibil, iar oamenii de știință au testat amprenta magnetică a fiecărei componente folosind magneți de testare pe Universitatea din Washington și Argonne pentru a caracteriza semnătura magnetică generală a sistemului de camioane.

Puterea comunicării

Dintre cele două cabluri care trag trăsura în jurul inelului, unul dintre ele acționează și ca un cablu de alimentare și comunicație între stația de control și sondele de măsurare.

Pentru a măsura câmpul, oamenii de știință trimit o frecvență radio prin cablu către cele 17 sonde din coș. Frecvența radio determină rotațiile moleculelor din interiorul sondei să se rotească în câmpul magnetic. Frecvența radio este oprită la momentul potrivit, ceea ce face ca rotațiile moleculelor de apă să preceadă. Această abordare se numește rezonanță magnetică nucleară (RMN).

Frecvența de rotație a sondelor depinde de câmpul magnetic al inelului și un digitalizator de la bordul căruciorului convertește frecvența radio analogică în multiple valori digitale comunicate prin cablu către o stație de control. La stația de control, oamenii de știință analizează datele digitale pentru a construi frecvența precesiei de rotație și, din aceasta, o hartă completă a câmpului magnetic.

În timpul experimentului Brookhaven, toate semnalele au fost trimise simultan prin cablu. Cu toate acestea, datorită conversiei semnalului analogic în digital în noul experiment, mai multe date trebuie să călătorească prin cablu, iar această creștere a ratei ar putea modifica frecvența radio foarte precisă necesară pentru măsurarea sondei. Pentru a evita această perturbare, oamenii de știință au separat semnalele în timp, comutând între semnalul de frecvență radio și comunicarea datelor către cablu.

“Furnizăm sondele cu o frecvență radio folosind un semnal analogic”, a spus Corrodi, “și folosim un semnal digital pentru a comunica datele. Cablul comută între aceste două moduri la fiecare 35 de milisecunde.”

Tactica de comutare între semnalele care călătoresc prin același cablu se numește „multiplexare prin diviziune de timp” și îi ajută pe oamenii de știință să realizeze specificații nu numai precizie, dar și niveluri de zgomot. O actualizare a experimentului Brookhaven, multiplexarea prin diviziune în timp permite o cartografiere cu rezoluție mai mare și noi capacități în analiza datelor câmpului magnetic.

Rezultate viitoare

Atât sistemul RMN de cartografiere în câmp, cât și controlul mișcării sale au fost puse în funcțiune cu succes la Fermilab și au funcționat în mod fiabil în primele trei perioade de preluare a datelor din experiment.

Oamenii de știință au obținut o precizie fără precedent pentru măsurătorile de câmp, precum și înregistrarea uniformității câmpului magnetic al inelului, în acest experiment Muon g-2. Oamenii de știință analizează în prezent prima rundă de date pentru 2018 și se așteaptă să publice rezultatele până la sfârșitul anului 2020.

Oamenii de știință au detaliat configurația complexă într-o lucrare, publicată în Revista Instrumentation.

Referință: „Proiectarea și performanța unui sistem de cartografiere a câmpului magnetic în vid pentru experimentul Muon g-2” de S. Corrodia, P. De Lurgioa, D. Flayb, J. Grangea, R. Honga, D Kawallb, M. Oberlinga, S. Ramachandrana și P. Wintera, 4 noiembrie 2020, Revista Instrumentation.
DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 15/11 / P11008

Această cercetare a fost finanțată de Oficiul Științei, Fizica Înaltelor Energii (HEP) al DOE. Complexul de accelerare a particulelor Fermilab este un centru de utilizare al DOE Science Office.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Oamenii de știință dezvăluie cheia creșterii musculare adecvate

Analiza imunofluorescenței unui grup de celule stem proliferante asociate cu fibre musculare (gri). Celulele stem produc Dll1 (roșu) și MyoD (verde). Două...

ExoMars Orbiter surprinde fermitatea la locul de aterizare al craterului Mars Jezero

ESA-Roscosmos Trace Gas Orbiter a observat vehiculul NASA Perseverance Mars 2020, împreună cu o parașută și o carapace spate, un scut termic și o...

Reglarea cuantică în grafen avansează era comunicațiilor fără fir Terahertz de mare viteză

Tunelare cuantică. Credit: Daria Sokol / Biroul de presă MIPT Oamenii de știință de la MIPT, Universitatea Pedagogică de Stat din Moscova și Universitatea...

Un model agresiv bazat pe piață pentru dezvoltarea energiei de cuplare

Conceptul ARC Fusion Pilot Plant a fost dezvoltat la MIT ca o demonstrație a potențialului magneților supraconductori de temperatură înaltă de a reduce costurile...

Sug este mai important în cercetare decât potrivirea corectă a măștilor de față COVID

O echipă de cercetători care studiază eficacitatea diferitelor tipuri de măști de față a constatat că este cea mai bună protecție împotriva acesteia COVID-19,...

Newsletter

Subscribe to stay updated.