Muon g - 2

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Magnetul inelului de stocare Fermilab g-2, conceput inițial pentru experimentul g-2 al Laboratorului Național Brookhaven . Geometria face posibilă stabilirea unui câmp magnetic foarte uniform în inel.

Muon g -2 este un experiment de fizică a particulelor la Fermilab pentru a măsura momentul dipolar magnetic anomal al unui muon cu o precizie de 0,14 ppm ( părți pe milion ), [1] care va fi un test fundamental pentru a testa standardul modelului . De asemenea, ar putea oferi dovezi pentru particule complet noi. [2]

Muonul, ca și fratele său mai ușor, electronul, acționează ca un magnet rotativ. Parametrul cunoscut sub numele de " factor g " indică cât de puternic este magnetul și viteza de rotație a acestuia. Valoarea lui g este puțin mai mare decât 2, de unde și numele experimentului. Această diferență față de 2 (partea „anormală”) este cauzată de contribuții de ordin superior din teoria câmpului cuantic . Măsurând g - 2 cu mare precizie și comparând valoarea acestuia cu predicția teoretică, fizicienii vor afla dacă experimentul este de acord cu teoria. Orice abatere ar indica particule subatomice nedescoperite care există în natură. [3]

Cele trei perioade de colectare a datelor (Run-1, Run-2 și Run-3) au fost finalizate, Run-4 fiind în curs de desfășurare. Rezultatele analizei datelor Run-1 au fost anunțate și publicate la 7 aprilie 2021. [4] [5] Fizicienii au raportat că rezultatele studiilor recente care implică particula au contestat modelul standard și, în consecință, pot necesita o actualizare a fizica inclusă în prezent. [6] [7]

Istorie

Muon g - 2 la CERN

Bucla de stocare a experimentului "muon g - 2" la CERN

Primele experimente au început la CERN în 1959 din inițiativa lui Leon Lederman . [8] [9] Un grup de șase fizicieni a format primul experiment, folosind sincrociclotronul de la CERN. Primele rezultate au fost publicate în 1961, [10] cu o precizie de 2% față de valoarea teoretică, iar apoi al doilea cu o precizie de 0,4% de data aceasta, validând astfel teoria electrodinamicii cuantice.

Un al doilea experiment a început în 1966 cu un nou grup, de data aceasta lucrând cu Proton-Sincrotron, din nou la CERN. Rezultatele au fost, prin urmare, de 25 de ori mai precise decât cele precedente și au arătat o discrepanță cantitativă între valorile experimentale și cele teoretice, forțând astfel fizicienii să își revizuiască modelul teoretic. Al treilea experiment, început în 1969, și-a publicat rezultatele finale în 1979, [11] confirmând teoria cu o precizie de 0,0007%.

Muon g - 2 la Laboratorul Național Brookhaven

Următoarea fază a cercetării a fost realizată în Sincrotronul cu gradient alternativ de la Laboratorul Național Brookhaven . Experimentul a fost realizat într-un mod similar cu ultimul din experimentele CERN, cu scopul de a avea o precizie de 20 de ori mai bună. Tehnica implică stocarea a 3.094 muoni GeV într-un câmp magnetic măsurat uniform și observarea diferenței de precesiune de rotire a muonului și frecvența de rotație prin detectarea electronilor de descompunere a muonului. Progresul în precizie s-a bazat esențial pe un fascicul mult mai intens decât cel disponibil la CERN și pe injectarea muonilor în inelul de stocare, unde experimentele anterioare ale CERN au injectat pioni în inelul de stocare, din care doar o mică parte se descompune în muoni. Experimentul a folosit un câmp magnetic mult mai uniform folosind un magnet inel de stocare supraconductiv superferric, un magnet inflector supraconductor pasiv, kicker-uri rapide de muon pentru a devia muonii injectați în orbite stocate, un cărucior RMN cu tub de fascicul care ar putea cartografia câmpului magnetic în regiunea de stocare și numeroase alte progrese experimentale. Experimentul a luat date cu muoni pozitivi și negativi între 1997 și 2001. Rezultatul său final este un µ = 11659208,0 (5,4) (3,3) × 10 −10 obținut prin combinarea rezultatelor consistente cu o precizie similară din muonii pozitivi și negativi. [12]

Muon g - 2 la Fermilab

Fermilab efectuează experimentul Laboratorului Național Brookhaven [13] pentru a măsura momentul anormal de dipol magnetic al muonului . Experimentul Brookhaven s-a încheiat în 2001, dar zece ani mai târziu, Fermilab a achiziționat echipamentul și lucrează pentru a face o măsurare mai precisă ( σ mai mică), care fie va elimina discrepanța, fie o va confirma ca un exemplu de fizică observabil experimental dincolo de modelul standard.

Magnetul a fost recondiționat și aprins în septembrie 2015 și sa confirmat că are aceeași uniformitate a câmpului magnetic de bază de 1,3 ppm pe care îl avea înainte de transfer.

Din octombrie 2016 magnetul a fost reconstruit și îngroșat cu atenție pentru a produce un câmp magnetic extrem de uniform. Noile eforturi la Fermilab au dus la o uniformitate generală de trei ori mai bună, ceea ce este important pentru re-măsurare până la obiectivul său de precizie mai mare. [14]

În aprilie 2017, colaborarea pregătea experimentul pentru prima rundă de producție cu protoni - pentru calibrarea sistemelor de detectare. La 31 mai 2017, magnetul a primit primul fascicul de muoni la noua sa locație. Achiziția de date ar trebui să dureze până în 2020.

La 7 aprilie 2021, au fost publicate rezultatele experimentului: a µ = (116 592 040 ± 54) × 10 −11 . Noile rezultate experimentale ale mediei mondiale anunțate de colaborarea Muon g-2 sunt: ​​factorul g: 2.00233184122 (82), momentul magnetic anormal: 0,00116592061 (41). Rezultatele combinate de la Fermilab și Brookhaven arată o diferență față de teoria cu o semnificație de 4,2 sigma, puțin mai mică decât cea de 5 sigme de care oamenii de știință au nevoie pentru a pretinde o descoperire. Cu toate acestea, acestea sunt dovezi convingătoare pentru o nouă fizică, de fapt posibilitatea ca rezultatele să fie o fluctuație statistică este de aproximativ 1 din 40.000. [15]

Teoria momentelor magnetice

Gul unui lepton încărcat ( electron , muon sau tau ) este foarte aproape de 2. Diferența de la 2 (partea „anormală”) depinde de lepton și poate fi calculată destul de precis pe baza modelului standard fizic actual a particulelor . Măsurătorile electronilor sunt în acord excelent cu acest calcul. Experimentul Brookhaven a efectuat această măsurare pentru muoni, un punct de vedere tehnic mult mai dificil de măsurat din cauza duratei lor scurte și a detectat o discrepanță bună, dar nu definitivă, de 3,7σ între valoarea măsurată și predicția modelului standard ( 0,00116592089 vs. 0,0011659180 ). [16]

Măsura anomaliei electronilor este cantitatea determinată mai precis în fizică. Acesta a fost măsurat recent în 3 părți în 10 13 și valoarea sa calculată în QED dintr-o sumă de 12.672 diagrame Feynman . Cu toate acestea, în ciuda acestor surprinzătoare fapte experimentale și teoretice, contribuția ( m / M ) 2 a noilor particule se distinge numai pentru valori de masă mici (adică masă <100 MeV) și în prezent valorile măsurate și prezise sunt bune acord. În schimb, o măsură a anomaliei muonului, a cărei masă este de 220 de ori mai mare decât cea a electronului, are o sensibilitate la particule noi cu mase cuprinse între 10 MeV și 1000 GeV și, prin urmare, la capătul superior se sondează o regiune de masă. la experimentele LHC, dar într-un mod foarte diferit. [17]

Proiecta

Inelul care ajunge la destinația sa finală - sala experimentală (MC1) a Fermilab - la 30 iulie 2014.

În centrul experimentului se află un magnet supraconductor de 15 metri cu un câmp magnetic foarte uniform. Acesta a fost transportat, dintr-o singură bucată, de la Brookhaven la Long Island , New York, la Fermilab în vara anului 2013. [18]

Detectoare

Măsurarea momentului magnetic este realizată de 24 de detectoare calorimetrice electromagnetice, distribuite uniform în interiorul inelului de acumulare. Calorimetrele măsoară energia și timpul de sosire (în raport cu timpul de injecție) ale pozitronilor de descompunere (și numărul lor) din decăderea muonului din inelul de stocare. După ce un muon se descompune într-un pozitron și doi neutrini, pozitronul ajunge să aibă mai puțină energie decât muonul original. Prin urmare, câmpul magnetic îl curbează spre interior acolo unde lovește un calorimetru de fluorură de plumb segmentat (II) citit de foto-multiplicatori de siliciu (SiPM). [19]

Detectoarele de urmărire înregistrează traiectoria pozitronilor din decăderea muonului în inelul de stocare. Trackerul poate furniza măsurarea momentului dipol electric muon, dar nu măsurarea momentului magnetic direct. Scopul principal al trackerului este măsurarea profilului fasciculului de muoni, precum și rezoluția acumulărilor de evenimente (pentru reducerea incertitudinii sistematice în măsurarea calorimetrului). [19]

Este prezentat unul dintre cele 4 rânduri de 32 de paie. Un pai (lungime 100 mm și diametru 5 mm) se comportă ca o cameră de ionizare .

Camp magnetic

Pentru a măsura momentul magnetic cu un nivel de precizie în părți per miliard, un câmp magnetic mediu uniform trebuie să aibă același nivel de precizie. Scopul experimental al g - 2 este de a atinge un nivel mediu de incertitudine de 70 de părți pe miliard în timp și în distribuția muonilor. Un câmp uniform de 1.45 T este creat inel de stocare folosind magneți supraconductori și valoarea câmpului veți fi mapată activ în jurul inelului utilizând o sondă RMN pe un cărucior mobil (fără a întrerupe vidul). Sonda utilizează frecvența Larmor a unui proton într-o probă sferică de apă pentru măsurarea de înaltă precizie a câmpului magnetic. [19]

Achizitie de date

O componentă esențială a experimentului este sistemul de achiziție de date (DAQ), care gestionează fluxul de date din electronica detectorului. Cerința pentru experiment este de a obține date brute la o rată de 18 GB / s. Acest lucru se realizează prin utilizarea unei arhitecturi de prelucrare a datelor paralele care utilizează 24 de GPU - uri de mare viteză (NVIDIA Tesla K40) pentru a procesa date de la digitizatoarele de formă de undă de 12 biți. Configurarea este controlată de cadrul software MIDAS DAQ. Sistemul DAQ procesează date de la 1296 canale calorimetrice, 3 dispozitive de detectare a gazelor (stații de urmărire a paiului) și detectoare auxiliare (de exemplu, contoare de muoni de intrare). Producția totală de date a experimentului este estimată la 2 PB. [20]

Colaborări

Următoarele universități, laboratoare și companii participă la experiment: [21]

Universitate

Laboratoare

Notă

  1. ^ (EN) Copie arhivată la Muon g-2 Experiment. Adus la 26 aprilie 2017 ( arhivat la 9 decembrie 2015) .
  2. ^ (EN) Elizabeth Gibney, marele moment al muonilor ar putea alimenta fizica nouă , în Nature, vol. 544, n. 7649, 13 aprilie 2017, pp. 145-146, Bibcode : 2017 Nat . 544..145G , DOI : 10.1038 / 544145a , PMID 28406224 .
  3. ^ (RO) Copie arhivată pe Muon Template: Mvar -2 Experiment. Adus la 30 aprilie 2017 (arhivat din original la 1 iulie 2017) .
  4. ^ Copie arhivată , la theory.fnal.gov . Adus la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 10 aprilie 2021) .
  5. ^ Copie arhivată , pe phys.org . Adus la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 10 aprilie 2021) .
  6. ^ Dennis Overbye , Constatând din cercetarea particulelor, ar putea încălca legile cunoscute ale fizicii - nu este încă următorul boson Higgs - încă. Dar cea mai bună explicație, spun fizicienii, implică forme de materie și energie care nu sunt cunoscute în prezent de știință. , în The New York Times , 7 aprilie 2021. Adus pe 7 aprilie 2021 ( arhivat 7 aprilie 2021) .
  7. ^ Tracy Marc, Primele rezultate din experimentul Muon g-2 al Fermilab întăresc dovezile noii fizici , în Fermilab , 7 aprilie 2021. Adus pe 7 aprilie 2021 ( arhivat 7 aprilie 2021) .
  8. ^ Francis Farley , The dark side of the muon , în Luis Álvarez-Gaumé (ed.), Infinitely CERN: Amintiri de cincizeci de ani de cercetare, 1954-2004 , Geneva, CH, Ediții Suzanne Hurter, 2004, pp. 38-41, ISBN 978-2-940031-33-7 ,OCLC 606546795 .
  9. ^ Copie arhivată , pe Arhiva CERN , 2007. Accesat la 4 martie 2020 ( arhivat la 4 martie 2020) .
  10. ^ Georges Charpak, Richard L. Garwin și Francis JM Farley, Rezultatele experimentului g −2 , în Cabibbo (ed.), Lepton Physics la CERN și Frascati , World Scientific, 1994, pp. 34 și urm, ISBN 9789810220785 . la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 16 aprilie 2021) .
  11. ^ F. Combley, FJM Farley și E. Picasso, Experimentele cu muonul CERN ( g −2) , în Physics Reports , vol. 68, nr. 2, 1981, pp. 93-119, DOI : 10.1016 / 0370-1573 (81) 90028-4 , ISSN 0370-1573 ( WC ACNP ) . Adus la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 10 aprilie 2021) .
  12. ^ Muon g-2 Collaboration, GW Bennett și B. Bousquet, Raport final al măsurării momentului magnetic anomal E821 muon la BNL , în Physical Review D , vol. 73, nr. 7, 7 aprilie 2006, p. 072003, Bibcode : 2006PhRvD..73g2003B , DOI : 10.1103 / PhysRevD.73.072003 , arXiv : hep-ex / 0602035 .
  13. ^ F Farley, The 47 years of muon g - 2 , în progres în fizica particulelor și nucleare , vol. 52, nr. 1, 2004, pp. 1-83, Bibcode : 2004PrPNP..52 .... 1F , DOI : 10.1016 / j.ppnp.2003.09.004 , ISSN 0146-6410 ( WC ACNP ) .
  14. ^ Vol. 770, DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 770/1/012038 . Via inSPIRE Arhivat 2 iunie 2021 la Internet Archive .
  15. ^ Fermilab (7 aprilie 2021) Primele rezultate din experimentul Muon g-2 al Fermilab consolidează dovezile noii fizici , pe news.fnal.gov . Adus la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 15 aprilie 2021) .
  16. ^ Copie arhivată , la news.fnal.gov . Adus la 16 aprilie 2021 ( arhivat la 12 aprilie 2021) .
  17. ^ Copie arhivată , pe Muon g - 2 Experiment . Adus la 30 aprilie 2017 ( arhivat la 10 aprilie 2021) .
  18. ^ (EN) Copie arhivată pe CERN Courier. Adus la 26 aprilie 2017 ( arhivat la 4 septembrie 2017) .
  19. ^ a b c J. Grange, V. Guarino și P. Winter, Muon ( g −2) Technical Design Report , 27 ianuarie 2015, Bibcode : 2015arXiv150106858G , arXiv : 1501.06858 . Via inSPIRE Arhivat 2 iunie 2021 la Internet Archive .
  20. ^ DOI : 10.22323 / 1.282.0174 . Via inSPIRE Arhivat 2 iunie 2021 la Internet Archive .
  21. ^ (EN) Copie arhivată la Muon g-2 Experiment. Adus la 26 aprilie 2017 ( arhivat la 14 aprilie 2021) .

Alte proiecte

linkuri externe

Fizică Portalul fizicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă cu fizica
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Muon_g−2&oldid=121935063 ”