Muoner är mystiska, och forskare dyker djupt in i partikeln för att få grepp om en egendom som kan göra den - och universum - lite mindre mystisk.

Precis som elektroner - muons lättare syskon - är de partiklar med en slags naturlig inre magnet. De har också en vinkelmoment som kallas spin, ungefär som en snurr. Kombinationen av spinn och inre magnet i en partikel kallas det gyromagnetiska förhållandet, kallad "g, "men tidigare försök att mäta det för muoner har kastat upp spännande överraskningar.

Målet med Muon g-2-experimentet på Fermilab är att mäta det mer exakt än någonsin tidigare.

För att nå dessa anmärkningsvärda nivåer av precision, forskare måste hålla mycket noga med några få delar av experimentet, varav en är hur starkt magnetfältet är. Teamet har mätt och finjusterat magnetfältet i flera månader och är nu väldigt nära att uppnå ett stabilt fält innan experimenten kan börja korrekt.

"Vi är inne i experimentets idrifttagningsperiod just nu, där vi i princip lär oss hur våra system beter sig och ser till att allt fungerar som det ska innan vi går över till stabil drift, "sa David Flay, en forskare vid University of Massachusetts som arbetar med kalibrering av magnetfältet för Muon g-2.

Muons mysterium

Muon g-2 följer upp ett spännande resultat sett på Brookhaven National Laboratory i New York i början av 2000-talet, när experimentet gjorde observationer av muoner som inte matchade teoretiska förutsägelser. Experimentets cirkulära magnet med en diameter på 15 meter, kallas en lagringsring, skickades till Illinois över land och hav 2013, och mätningen utförs nu på Fermilab med fyra gånger precisionen.

När Brookhaven utförde experimentet, resultatet var överraskande:muonvärdet för g skilde sig väsentligt från vad beräkningarna sa att det borde vara, och ingen är helt säker på varför. Det är möjligt att själva experimentet var bristfälligt och resultatet var falskt, men det öppnar också dörren till möjligheten till exotiska nya partiklar och teorier. Med sin fyrfaldiga ökning i precision, Muon g-2 kommer att belysa situationen mer.

För att mäta g, strålar av muoner som cirkulerar inuti experimentets lagringsring utsätts för ett intensivt magnetfält - cirka 30, 000 gånger styrkan på jordens naturliga fält. Detta får muonerna att rotera runt magnetfältet, eller precess, på ett särskilt sätt. Genom att mäta denna precession, det är möjligt att exakt extrahera värdet av g.

Styrkan i magnetfältet som muonerna utsätts för påverkar direkt hur de föregår, så det är helt avgörande att göra extremt exakta mätningar av fältstyrkan och behålla dess enhetlighet i hela ringen - inte en lätt uppgift.

Om Muon g-2 säkerhetskopierar Brookhavens resultat, det skulle vara enorma nyheter. Standardmodellen skulle behöva omprövas och det skulle öppna ett helt nytt kapitel i partikelfysik.

En ledande teori för att förklara de spännande resultaten är nya typer av virtuella partiklar, kvantfenomen som flimrar in och ut av existens, även i ett annars tomt vakuum. Alla kända partiklar gör detta, men deras totala effekt står inte helt för Brookhavens resultat. Forskare förutspår därför en eller flera nya, oupptäckta slag, vars ytterligare flyktiga närvaro kan ge de konstiga muonobservationerna.

"Den största utmaningen hittills har varit att hantera det oväntade, "sa Joe Grange, forskare vid Argonne National Laboratory som arbetar med Muon g-2:s magnetfält. "När ett mysterium dyker upp som måste lösas relativt snabbt, saker kan bli hektiska. Men det är också en av de roligare delarna av vårt arbete. "

Granskar fältet

Magnetfältstyrkemätningarna görs med små, känsliga elektroniska enheter som kallas sonder. Tre typer av sonder - fixade, vagn och stört-arbeta tillsammans för att bygga upp en 3D-karta över magnetfältet inuti experimentet. Fältet kan glida över tiden, och saker som temperaturförändringar i experimentets byggnad kan subtilt påverka ringens form, så ungefär 400 fasta prober är placerade strax ovanför och under lagringsringen för att hålla ett konstant öga på fältet inuti. Eftersom dessa sonder alltid tittar, forskarna vet när och hur mycket de ska justera fältet för att hålla det enhetligt.

För dessa mätningar, och varannan dag när experimenten är pausade och muonstrålen stoppas, en 0,5 meter lång, krökt cylindrisk vagn på skenor som innehåller 17 prober skickas runt ringen för att ta en exakt fältkarta i regionen där muonerna lagras. Varje bana tar ett par timmar. Vagnproberna kalibreras själva av en störningssond, som kan röra sig in och ut ur sin egen kammare på en specifik plats i ringen vid behov.

De fasta sonderna har installerats och fungerat sedan hösten 2016, medan de 17 vagnproberna nyligen har tagits bort, uppgraderas och installeras om.

"Sonderna är inne i ringen där vi inte kan se dem, "Sa Flay." Så att matcha sina positioner för att få en korrekt kalibrering mellan dem är inte lätt. "

Teamet utvecklade några innovativa lösningar för att hantera detta problem, inklusive ett streckkodssystem inuti ringen, som vagnen skannar för att vidarebefordra där den är när den rör sig runt.

Global g-2

Muon g-2 är ett internationellt samarbete som arrangeras av Fermilab. Tillsammans med forskare från Fermilab, Argonne, och Brookhaven, flera universitet i USA arbetar med internationella samarbetspartners från så breda länder som Sydkorea, Italien och Storbritannien. Totalt, runt 30 institutioner och 150 personer arbetar med experimentet.

"Det är de detaljerade ansträngningarna från Argonne, University of Washington, University of Massachusetts och University of Michigan -team som har tagit fram dessa pålitliga, kvalitetsverktyg som ger oss en fullständig bild av magnetfältet, "sa Brendan Kiburg, Fermilab-forskare som arbetar med Muon g-2. "Det har tagit år av noggrant arbete."

Teamet arbetar för att avsluta den viktigaste fältstyrkemätningsdelen av idrifttagningsprocessen i början av 2018, innan vi fortsätter att analysera exakt hur muonerna upplever det genererade fältet. Experimentet planeras att börja i sin helhet i februari 2018.