Ученые из Аргонны модернизировали систему измерения, которая использует усовершенствованную схему связи и новые датчики магнитного поля и электронику для отображения поля на 45-метровом кольце окружности, в котором проводится эксперимент.
Эксперимент, который начался в 2017 году и продолжается сегодня, может иметь большое значение для области физики элементарных частиц.
В качестве продолжения прошлого эксперимента в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США он имеет право подтвердить или опровергнуть предыдущие результаты, которые могут пролить свет на обоснованность отдельных частей действующей Стандартной модели физики элементарных частиц.
Высокоточные измерения важных величин в эксперименте имеют решающее значение для получения значимых результатов. Основная интересная величина – это g-фактор мюона, свойство, которое характеризует магнитные и квантово-механические свойства частицы.
Стандартная модель очень точно предсказывает значение g-фактора мюона. «Поскольку теория так четко предсказывает это число, экспериментальная проверка g-фактора является эффективным способом проверки теории», – сказал Саймон Корроди, постдокторант в отделении физики высоких энергий (HEP) Аргонна. "Было большое расхождение между измерением Брукхейвена и теоретическим предсказанием, и если мы подтвердим это расхождение, оно будет сигнализировать о существовании неоткрытых частиц."
Точно так же, как ось вращения Земли прецессирует, то есть полюса постепенно движутся по кругу, спин мюона, квантовая версия углового момента, прецессирует в присутствии магнитного поля. Сила магнитного поля, окружающего мюон, влияет на скорость прецессии его спина.
Ученые могут определить g-фактор мюона, используя измерения скорости прецессии спина и напряженности магнитного поля.
Чем точнее будут эти первоначальные измерения, тем убедительнее будет конечный результат. Ученые продвигаются к полевым измерениям с точностью до 70 частей на миллиард. Такой уровень точности позволяет окончательному вычислению g-фактора быть точным, в четыре раза превышающим точность результатов эксперимента в Брукхейвене.
Если экспериментально измеренное значение значительно отличается от ожидаемого значения Стандартной модели, это может указывать на существование неизвестных частиц, присутствие которых нарушает локальное магнитное поле вокруг мюона.
Поездка на троллейбусе
Во время сбора данных магнитное поле заставляет пучок мюонов перемещаться по большому полому кольцу. Чтобы нанести на карту напряженность магнитного поля по всему кольцу с высоким разрешением и точностью, ученые разработали тележку для перемещения измерительных зондов по кольцу и сбора данных.
Гейдельбергский университет разработал систему тележек для эксперимента в Брукхейвене, а ученые Аргонна отремонтировали оборудование и заменили электронику. В дополнение к 378 датчикам, установленным внутри кольца для постоянного контроля смещения поля, тележка вмещает 17 датчиков, которые периодически измеряют поле с более высоким разрешением.
«Каждые три дня тележка объезжает кольцо в обоих направлениях, делая около 9000 измерений на зонд и направление», – сказал Корроди. "Затем мы проводим измерения, чтобы построить срезы магнитного поля, а затем полную трехмерную карту кольца."
Ученые знают точное местоположение тележки в кольце благодаря новому считывателю штрих-кода, который записывает отметки на нижней части кольца при его движении.
Кольцо заполнено вакуумом, чтобы облегчить контролируемый распад мюонов. Чтобы сохранить вакуум внутри кольца, к кольцу подключен гараж, и вакуум хранит тележку между измерениями.
Автоматизация процесса загрузки и разгрузки тележки в кольцо снижает риск того, что ученые нарушат вакуум и магнитное поле, взаимодействуя с системой. Они также минимизировали энергопотребление электроники тележки, чтобы ограничить тепло, вводимое в систему, которое в противном случае нарушило бы точность измерения поля.
Ученые спроектировали тележку и гараж для работы в сильном магнитном поле кольца, не влияя на него. «Мы использовали двигатель, который работает в сильном магнитном поле и с минимальной магнитной сигнатурой, и двигатель перемещает тележку механически с помощью струн», – сказал Корроди. "Это снижает шум при полевых измерениях, вносимый оборудованием."
В системе используется наименьшее возможное количество магнитного материала, и ученые проверили магнитный след каждого отдельного компонента, используя испытательные магниты в Вашингтонском университете и Аргонне, чтобы охарактеризовать общую магнитную сигнатуру тележки.
Сила общения
Из двух кабелей, тянущих тележку по кольцу, один из них также действует как силовой и коммуникационный кабель между станцией управления и измерительными датчиками.
Чтобы измерить поле, ученые посылают радиочастоту через кабель на 17 зондов тележки. Радиочастота заставляет спины молекул внутри зонда вращаться в магнитном поле. Затем в нужный момент радиочастота отключается, в результате чего спины молекул воды прецессируют.
Этот подход называется ядерным магнитным резонансом (ЯМР).
Частота прецессии спинов зондов зависит от магнитного поля в кольце, а дигитайзер на борту тележки преобразует аналоговую радиочастоту в несколько цифровых значений, передаваемых по кабелю на станцию управления.
На станции управления ученые анализируют цифровые данные, чтобы построить частоту прецессии спина и, исходя из этого, полную карту магнитного поля.
Во время эксперимента в Брукхейвене все сигналы передавались по кабелю одновременно.
Однако из-за преобразования аналогового сигнала в цифровой в новом эксперименте гораздо больше данных должно проходить по кабелю, и эта повышенная скорость может нарушить очень точную радиочастоту, необходимую для измерения зонда. Чтобы предотвратить это нарушение, ученые разделили сигналы по времени, переключаясь между радиочастотным сигналом и передачей данных по кабелю.
«Мы обеспечиваем датчики радиочастотой через аналоговый сигнал, – сказал Корроди, – и мы используем цифровой сигнал для передачи данных.
Кабель переключается между этими двумя режимами каждые 35 миллисекунд."
Тактика переключения между сигналами, проходящими по одному и тому же кабелю, называется «мультиплексированием с временным разделением», и это помогает ученым достичь требований не только по точности, но и по уровням шума. Мультиплексирование с временным разделением, усовершенствованное по сравнению с экспериментом в Брукхейвене, обеспечивает отображение с более высоким разрешением и новые возможности в анализе данных магнитного поля.
Ближайшие результаты
Как система ЯМР для картирования поля, так и система управления движением были успешно введены в эксплуатацию в Фермилабе и надежно работали в течение первых трех периодов сбора данных эксперимента.
Ученые достигли беспрецедентной точности измерений поля, а также рекордной однородности магнитного поля кольца в этом эксперименте с мюоном g-2. Ученые в настоящее время анализируют первый раунд данных за 2018 год, и они ожидают опубликовать результаты к концу 2020 года.
Ученые подробно описали сложную установку в статье под названием «Конструкция и характеристики системы картирования магнитного поля в вакууме для эксперимента с мюоном g-2», опубликованной в Journal of Instrumentation.
Это исследование финансировалось Управлением науки Министерства энергетики США по физике высоких энергий (HEP).
Ускорительный комплекс частиц Фермилаб является пользовательским объектом Управления науки Министерства энергетики США.