Muon g -2

g − 2 lagringsringmagneten vid Fermilab , som ursprungligen designades för Brookhaven g − 2 - experimentet. Geometrin gör att ett mycket enhetligt magnetfält kan etableras i ringen.

Muon g − 2 (uttalas "gee minus två") är ett partikelfysikexperiment vid Fermilab för att mäta det avvikande magnetiska dipolmomentet för en myon med en precision av 0,14 ppm , vilket kommer att vara ett känsligt test av standardmodellen . Det kan också ge bevis på att det finns helt nya partiklar.

Myonen, liksom sin lättare syskon, elektronen, fungerar som en snurrande magnet. Parametern känd som " g- faktorn " indikerar hur stark magneten är och hastigheten på dess vridning . Värdet på g är något större än 2, därav namnet på experimentet. Denna skillnad från 2 (den "anomala" delen) orsakas av bidrag av högre ordning från kvantfältteorin . Genom att mäta g − 2 med hög precision och jämföra dess värde med den teoretiska förutsägelsen, kommer fysiker att upptäcka om experimentet stämmer överens med teorin. Varje avvikelse skulle peka på ännu oupptäckta subatomära partiklar som finns i naturen.

Fyra dataupptagningsperioder (körning 1, körning 2, körning 3 och körning 4 [ citat behövs ] ) har slutförts, med körning 5 pågår för närvarande. Resultaten från analysen av Run 1-data tillkännagavs och publicerades den 7 april 2021. Fysikerna rapporterade att resultat från nyare studier som involverade partikeln utmanade standardmodellen och följaktligen kan kräva en uppdatering av fysik som för närvarande förstås.

Tidslinje

Muon g − 2 vid CERN

Lagringsringen av muon g − 2 experimentet vid CERN

De första muon g −2-experimenten började vid CERN 1959 på initiativ av Leon Lederman . En grupp på sex fysiker bildade det första experimentet med hjälp av Synchrocyclotron vid CERN. De första resultaten publicerades 1961, med en precision på 2 % i förhållande till det teoretiska värdet, och sedan de andra med en precision på 0,4 %, vilket validerar kvantelektrodynamikens teori.

Ett andra experiment startade 1966 med en ny grupp, som denna gång arbetade med Proton-Synchrotron, fortfarande på CERN. Resultaten var då 25 gånger mer exakta än de tidigare och visade en kvantitativ diskrepans mellan de experimentella värdena och de teoretiska, och krävde därmed att fysikerna skulle räkna om sin teoretiska modell. Det tredje experimentet, som startade 1969, publicerade sina slutliga resultat 1979, vilket bekräftade teorin med en precision på 0,0007%. USA tog över g −2 1984.

Muon g − 2 vid Brookhaven National Laboratory

Nästa steg av muon g - 2 - forskning utfördes vid Brookhaven National Laboratory Alternating Gradient Synchrotron . Experimentet gjordes på samma sätt som det sista av CERN-experimenten med målet att ha 20 gånger bättre precision. Tekniken innebar att lagra 3 094 GeV- myoner i ett enhetligt uppmätt magnetfält och observera skillnaden mellan myonspinprecession och rotationsfrekvens via detektering av myonavklingningselektronerna. Framstegen i precision förlitade sig avgörande på en mycket mer intensiv stråle än vad som var tillgängligt vid CERN och injektionen av myoner i lagringsringen, medan de tidigare CERN-experimenten hade injicerat pioner i lagringsringen, av vilka endast en liten del sönderfaller till myoner som är förvarade. Experimentet använde ett mycket mer enhetligt magnetfält med en superferrisk supraledande lagringsringmagnet, en passiv supraledande inflektormagnet, snabba myonkickerar för att avleda de injicerade myonerna till lagrade banor, en strålrörs-NMR-vagn som kunde kartlägga magnetfältet i lagringsområdet och många andra experimentella framsteg. Experimentet tog data med positiva och negativa myoner mellan 1997 och 2001. Dess slutresultat är ett µ = ( g − 2)/2 = 11659208.0(5.4)(3.3) × 10 −10 erhållet genom kombination av konsekventa resultat med liknande precision från positiva och negativa myoner.

Muon g − 2 vid Fermilab

Fermilab fortsätter experimentet som genomfördes vid Brookhaven National Laboratory för att mäta myonens avvikande magnetiska dipolmoment . Brookhaven-experimentet avslutades 2001, men tio år senare förvärvade Fermilab utrustningen och arbetar med att göra en mer exakt mätning (mindre σ ) som antingen kommer att eliminera diskrepansen mellan Brookhavens resultat och teoriförutsägelser eller bekräfta det som ett experimentellt observerbart exempel på fysik bortom standardmodellen .

Magneten renoverades och slogs på i september 2015 och har bekräftats ha samma 1,3 ppm grundläggande magnetfältslikformighet som den hade innan flytten.

Från och med oktober 2016 har magneten byggts om och försiktigt mellanläggs för att producera ett mycket enhetligt magnetfält. Nya satsningar på Fermilab har resulterat i en trefaldigt förbättrad övergripande enhetlighet, vilket är viktigt för den nya mätningen vid dess högre precisionsmål.

I april 2017 förberedde samarbetet experimentet för den första produktionskörningen med protoner – för att kalibrera detektorsystem. Magneten fick sin första stråle av myoner på sin nya plats den 31 maj 2017. Datainsamlingen var planerad att pågå till 2020.

Den 7 april 2021 publicerades resultaten av experimentet: a µ = 0,001 165 920 40 (54) . De nya experimentella världsgenomsnittsresultaten som tillkännagavs av Muon g − 2-samarbetet är: g -faktor: 2,002 331 841 22 (82) , onormalt magnetiskt moment: 0,001 165 920 61 (41) . De kombinerade resultaten från Fermilab och Brookhaven visar en skillnad med teori vid en signifikans på 4,2 sigma, något under de 5 sigma (eller standardavvikelser) som partikelfysiker kräver för att göra anspråk på en upptäckt, men fortfarande övertygande bevis på ny fysik. Chansen att en statistisk fluktuation skulle ge lika slående resultat är cirka 1 på 40 000.

Teori om magnetiska moment

G - faktorn för en laddad lepton ( elektron , muon eller tau ) är mycket nära 2. Skillnaden från 2 (den "anomala" delen) beror på leptonen och kan beräknas ganska exakt baserat på den nuvarande standardmodellen av partikel fysik . Mätningar av elektronen stämmer utmärkt överens med denna beräkning. Brookhaven-experimentet gjorde denna mätning för myoner, en mycket mer tekniskt svår mätning på grund av deras korta livslängd, och upptäckte en lockande, men inte definitiv, avvikelse på 3,7 σ mellan det uppmätta värdet och förutsägelsen av standardmodellen ( 0,001 165 920 89 kontra standardmodellen) 0,001 165 9180 ).

Design

G − 2 - ringen anländer till sin slutdestination – experimenthallen (MC1) vid Fermilab – den 30 juli 2014

Centralt i experimentet är en supraledande magnet med en diameter på 50 fot (15 m) med ett exceptionellt enhetligt magnetfält. Detta transporterades, i ett stycke, från Brookhaven i Long Island , New York, till Fermilab sommaren 2013. Flytten korsade 3 200 miles (5 100 km) under 35 dagar, mestadels på en pråm nerför östkusten och genom Mobile, Alabama , till Tennessee–Tombigbee Waterway och sedan kort på Mississippi . De första och sista sträckorna var på en speciell lastbil som färdades på stängda motorvägar på natten.

Prov på 25 mm × 25 mm × 140 mm PbF 2 -kristaller (bara och inslagna i Millipore-papper) är avbildade tillsammans med en 16-kanals monolitisk Hamamatsu SiPM.

Detektorer

Den magnetiska momentmätningen realiseras av 24 elektromagnetiska kalorimetriska detektorer , som är jämnt fördelade på insidan av lagringsringen. Kalorimetrarna mäter energin och ankomsttiden (relativt till injektionstiden) för sönderfallspositronerna (och deras antal) från myonförfallet i lagringsringen. Efter att en myon sönderfaller till en positron och två neutriner, slutar positronen med mindre energi än den ursprungliga myonen. Således krullar magnetfältet det inåt där det träffar en segmenterad bly(II)fluorid (PbF 2 ) kalorimeter avläst av kiselfotomultiplikatorer ( SiPM).

Spårningsdetektorerna registrerar positronernas bana från myonnedfallet i lagringsringen . Spåraren kan ge en elektrisk dipolmomentmätning av muon , men inte direkt den magnetiska momentmätningen. Huvudsyftet med trackern är att mäta myonstrålens profil, såväl som upplösning av händelser (för att minska den systematiska osäkerheten i kalorimetermätningen).

En av de 4 raderna med 32 sugrör visas. Ett sugrör (längd 100 mm och diameter 5 mm) fungerar som en joniseringskammare fylld med 1:1 argon : etan , med en central katodtråd vid +1,6 kV.

Magnetiskt fält

För att mäta det magnetiska momentet till ppb precisionsnivå krävs att ett enhetligt medelmagnetfält har samma precisionsnivå. Det experimentella målet för g − 2 är att uppnå en osäkerhetsnivå på magneten till 70 ppb i genomsnitt över tid och myonfördelning. Ett enhetligt fält på 1,45 T skapas i lagringsringen med hjälp av supraledande magneter, och fältvärdet kommer att aktivt kartläggas genom hela ringen med hjälp av en NMR -sond på en mobil vagn (utan att bryta vakuumet). Kalibrering av vagnen refereras till Larmor-frekvensen för en proton i ett sfäriskt vattenprov vid en referenstemperatur (34,7 °C), och korskalibreras till en ny helium-3 magnetometer.

Datainsamling

En väsentlig komponent i experimentet är datainsamlingssystemet (DAQ), som hanterar dataflödet från detektorelektroniken. Kravet för experimentet är att skaffa rådata med en hastighet av 18 GB/s. Detta uppnås genom att använda parallell databehandlingsarkitektur med 24 höghastighets- GPU:er (NVIDIA Tesla K40) för att bearbeta data från 12-bitars vågformsdigitaliserare. Inställningen styrs av MIDAS DAQ-programvaran. DAQ-systemet bearbetar data från 1296 kalorimeterkanaler, 3 halmspårningsstationer och hjälpdetektorer (t.ex. ingångsmyonräknare). Den totala datautgången från experimentet uppskattas till 2 PB .

Samarbete

Följande universitet, laboratorier och företag deltar i experimentet:

universitet

Laboratorier

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Muon_g-2&oldid=1143012540 "