Forskare vid de nationella laboratorierna i US Department of Energy (DOE) samarbetar för att testa en magnetisk egenskap hos muonen. Deras experiment kan peka på förekomsten av fysik bortom vår nuvarande förståelse, inklusive oupptäckta partiklar.

Experimentet följer ett som började 1999 vid DOE:s Brookhaven National Laboratory där forskare mätte spin -precessionen för muonen - dvs. hastigheten med vilken dess rotation ändrar riktning - för att skilja sig från de teoretiska förutsägelserna. Forskare från Argonne National Laboratory och Fermi National Accelerator Laboratory, tillsammans med medarbetare från mer än 25 andra institutioner, återskapar experimentet med mycket högre precision för att bekräfta eller motbevisa de tidigare tidigare resultaten.

Muonen är som elektronens (mycket) storebror; de har samma avgift, men muonen är över 200 gånger mer massiva. De två delar också samma snurr, en kvantmekanisk egenskap som bestämmer en partikels beteende i närvaro av ett magnetfält.

Partiklar med snurr fungerar som små magneter, och när de placeras i ett magnetfält, deras snurr ändrar riktning i en cirkelrörelse, ungefär som ett snurrande gyroskop. Hastigheten på en partikels snurrprecession bestäms av en kvantitet som kallas dess g-faktor, som beror på partikelns centrifugering och styrkan hos magnetfältet i vilket den rör sig.

I moderna kvantmekaniska teorier, vakuumet är inte tomt. Den är full av bubblor av så kallade virtuella partiklar, dyker upp och försvinner väldigt snabbt. Interaktioner mellan dessa virtuella partiklar och en verklig partikel, som muonen, kan ändra hur den verkliga partikeln interagerar med magnetfältet, påverkar dess g-faktor. Teoretiska fysiker har beräknat, baserat på vår nuvarande förståelse av naturens grundläggande struktur, alla sätt som varje känd partikel påverkar muons g-faktor, men de mätningar som Brookhaven -forskare gjorde skilde sig från vad de förväntade sig med några delar per miljon. Denna skillnad, om det kvarstår i det nya experimentet, skulle peka på en helt ny fysik - en spännande upptäckt för partikelfysiker.

"Om det faktiskt finns en skillnad mellan de förutsagda och uppmätta värdena, det är ytterligare ett bevis på att standardmodellen, vår nuvarande förståelse av universums innehåll, är ofullständig, "sa Argonne -fysikern Peter Winter." Den oväntade effekten kan bero på en oupptäckt partikel. "

I det nya experimentet, ligger på Fermilab, en stråle kommer att resa i en cirkel genom en stor, ihålig ring på grund av närvaron av ett starkt magnetfält. Samma magnetfält kommer också att leda till att muonsnurrarna går före medan de cirklar runt ringen. Forskarna kan beräkna g-faktorn genom att detektera muonernas snurrprecession och känna till magnetfältstyrkan i ringen.

För att uppnå önskad precision, både centrifugeringsfrekvensen och magnetfältets styrka måste mätas med osäkerheter under 70 delar per miljard. Forskargruppen på Argonne har tagit ansvar för att mäta magnetfältet med så hög precision. "Spelet i vårt experiment är att kontrollera all systematisk osäkerhet som kan snedvrida våra exakta mätningar, "sa Winter.

Denna precision kräver mycket känsliga sonderingsanordningar som forskarna kalibrerade med hjälp av mycket stabila och isolerade fält som produceras av återvunna magnetiska resonansavbildningsmaskiner i Argonne.

När de hade kalibrerat sonderna, forskarna placerade 17 av dem på en cirkulär vagn som rör sig runt ringen vid Fermilab. Vagnen mäter fältet runt 10, 000 poäng, skapa en karta över fältstyrkan överallt i ringen. Vagnen vilar på två skenor som löper längs rörets sidor, och forskarna flyttar vagnen runt ringen med hjälp av två kablar kopplade till motoriserade spolar.

"Den här vagnen måste röra sig i ett vakuum, "sa Ran Hong, en postdoktor i Argonne på studien, "så att både styra dess rörelse och ta emot data från sonderna är mycket utmanande."

För att störa fältet så lite som möjligt, bara en enda isolerad signalkabel ansluter vagnen till omvärlden. Denna kabel skickar information till vagnen för att leda den runt öglan, och den skickar data från sonderna tillbaka till kontrollrummet.

Det äldre systemet som användes vid Brookhaven för laboratoriets experiment skickade informationen med en analog signal, men Argonne -forskare och ingenjörer har digitaliserat signalen för att öka mängden data som erhållits. "Tillgången till mer rådata möjliggör bättre analys, och det har lett till en 10-faldig precision, "sa Winter.

På grund av den större digitala datamängden, kabeln kan bara skicka information i en riktning åt gången. "Vi måste vända mellan att skicka vagninstruktionerna och ta emot data, "sa Hong." Ungefär var 20 millisekund, riktningen växlar. "

Forskarna har satt upp Muon g-2-experimentet i sex år. Det här året, de kommer att börja ta officiella data. Experimentet kommer att pågå i månader, mäta centrifugeringen av ungefär en biljon myoner. Varannan till var tredje dag, experimentet kommer att pausa så att vagnen kan mäta fältet, och mindre sonder på utsidan av vakuumkammaren kommer att uppskatta fältet hela tiden medan experimentet körs.

"Till skillnad från storskaliga experiment som försöker upptäcka okända partiklar direkt, vårt tillvägagångssätt är att söka efter indirekta effekter som förändrar något i mycket liten skala, "sa Vinter." Genom att noggrant mäta denna faktor, vi kan dra slutsatsen om det är något nytt eller inte. "

Om de nya uppgifterna bekräftar den tidigare mätningen, forskarna planerar att genomföra experimentet med ännu högre precision. Analys av dessa nya data kan ge en smak av den nya fysikens natur, och kan indikera vilken detektor som måste konstrueras för att direkt observera de potentiella nya partiklarna.