Tidigare den här månaden, experimentet Muon g-2 ("g minus två") på Fermilab började sin andra körning för att söka efter dolda partiklar och krafter.

Under de kommande tre månaderna, forskare räknar med att ackumulera dubbla mängden data som samlas in i körning 1 och göra världens mest exakta mätning av muons avvikande magnetiska ögonblick, ofta uttryckt som kvantiteten g-2.

Kör 2 har flera förbättringar som forskare gjort i experimentet under de senaste åtta månaderna.

"Vi vill ha en mer stabil miljö där vi tar data, för under den första datatagningsperioden försökte vi få saker att fungera och utvärdera hur de fungerar, "sa Mark Lancaster, experimentets medordförande och professor i fysik vid University of Manchester och University College London. "Nu försöker vi gå in i läget där saker är mycket mer stabila, och vi kan springa under en rimlig tid utan ingrepp. "

Muoner är elementära partiklar som liknar, men mycket tyngre än, elektroner. Ett muons magnetiska moment - en egenskap relaterad till orienteringen och styrkan hos dess inre magnet - förändras när den snurrar, en effekt som kallas precession. Lancaster och hans kollegor mäter precisionsfrekvensen för det magnetiska ögonblicket mycket exakt och jämför resultatet med vad teoretiker förutspår att det ska vara. Genom att göra så, de hoppas kunna bekräfta, eller ens revidera, standardmodellen för partikelfysik.

"När det färdas genom universum, en partikel är aldrig riktigt ensam, "sa Fermilabs Chris Polly, experimentets andra medordförande. "Det finns hela tiden ett följe av andra partiklar som dyker upp ur vakuumet. De kommer från ingenstans, och de försvinner lika snabbt som de dök upp. "

Dessa partiklar förändrar muons magnetiska ögonblick något. Genom att beräkna hur ofta de kommer att komma in och ut ur vakuumet och interagera med muonen, forskare kan förutsäga effekterna av alla kända partiklar på det magnetiska ögonblicket till mycket hög precision. Jämförelsen av denna förutsägelse med det experimentellt erhållna värdet kommer att berätta för forskare om det finns ytterligare, oupptäckta partiklar eller krafter som förändrar magnetmomentet.

I vila, muoner förfaller på bara två miljoner av en sekund. Det förfallet producerar två neutrinoer och ett positron, som är en positivt laddad elektron.

"Huvuddelen av våra data kommer från att titta på energier och tider av förfallna positroner som kom från muonerna, "sa Brendan Kiburg, en Fermilab -partikelfysiker involverad i experimentet.

Att få den informationen kräver en mycket enhetlig, exakt uppmätt magnetfält.

"Det är otroligt viktigt att vi känner till magnetfältet som muonerna upplever, "Kiburg sa." Eftersom den nya fysik som vi letar efter är inbäddad i precessionsfrekvensen, du måste se till att muonerna inte ser ett annat magnetfält än det vi mäter. "

Finjustera ringen

Experimentets lagringsringmagnet kom till Fermilab från sitt ursprungliga hem vid Brookhaven National Laboratory 2013. Efter år av konstruktion och justeringar, operatörer fick upp strålen och engagerade sig i körning 1, en tre månaders produktionskörning 2018.

"På grund av den produktionskörningen, vi kunde lära oss om några brister som vi verkligen behövde åtgärda, Sa Polly.

Det finns flera områden som laget fokuserade på under sommaren. Den första var ett system med fyrdubbla magneter som fokuserar muonerna och förhindrar att de spiraler upp eller ner.

"Vi upptäckte under avstängningen att vi behövde förbättra tillförlitligheten för quadrupoles verksamhet, särskilt vid de högre spänningar som vi skulle vilja uppnå i den kommande körningen, Sa Polly.

En annan fråga gällde en enhet som kallades en elektromagnetisk kicker. Det förskjuter muonernas bana mycket lätt för att hålla dem på en väg som stannar inne i ringen.

"Kickern är förmodligen den enskilt viktigaste komponenten i experimentet bortom själva ringen, "Sa Kiburg.

Utan sparkaren, muonerna beter sig som en Formel 1 -förare vars racerbil är i fel vinkel, skicka dem in i väggen på första varvet. För att undvika detta, sparkaren skiftar vinkeln på muonerna när de kommer genom ringens grind.

"Ett av problemen med sparken på Brookhaven var att det var för långsamt, "Sade Polly." I stället för att ge muonerna en spark i första svängen och stänga av, kickerpulsen fortsatte i två eller tre varv runt ringen. Det var mindre än idealiskt, så vi konstruerade en kicker för det här experimentet som kunde gå upp och tillbaka i en enda sväng. "

Medan sparken som användes under körning 1 på Fermilab var tre gånger snabbare, det var inte tillräckligt starkt för att driva muonerna in i exakt den perfekta bana runt ringen. Under avstängningen, laget uppgraderade ringen för att rymma en mer kraftfull kicker.

Det tredje problemet var temperaturkontrollen i Muon g-2-byggnaden. Den magnetiska lagringsringen är extremt känslig för temperatur-så mycket att en förändring på mer än en enda grad Celsius kan få den att expandera eller dra ihop sig, försämrar magnetfältet. Under körning 1 under de hetaste sommarmånaderna, att hålla anläggningens temperatur var en utmaning. Förbättringar av anläggningens värme- och kylsystem bör fixa det, Sa Polly.

Ett berg av data

Teamet började nyligen föra strålen till lagringsringen och testa att uppgraderingarna fungerade som planerat. Ett viktigt mål för körning 2 är att mäta det magnetiska momentet mycket exakt, till 70 delar per miljard. För att få den typen av precision, magnetfältet måste vara mycket enhetligt.

"Vi kunde justera magnetfältet så att det är två till tre gånger mer enhetligt, "Sa Polly." Så, även om vi använder samma behållare, Vi har faktiskt gjort den till en mycket bättre behållare när det gäller att förstå detta magnetfält. "

Teamet fick också öka experimentets muonflöde, antalet muoner per sekund som krävs för att uppnå den nödvändiga statistiska precisionen. I körning 1, de uppnådde ungefär hälften av sitt mål. En uppgradering av uppgraderingar som slutförts under sommaren förväntas öka flödet till cirka 75 procent av målet. En sista uppgradering som laget överväger inför nästa sommar skulle få flödet resten av vägen, Sa Polly.

En kommande utmaning är den stora datamängden. Run 2 syftar till att minska osäkerheten i resultatet från Brookhaven Muon g-2-experimentet med en faktor fyra, vilket kräver 16 gånger statistiken. Det är mycket data.

"Vårt mål är att behandla uppgifterna när de kommer, "Sa Lancaster." Vi använder distribuerad dator för allt, så vi bearbetar allt på nätet. En del av det vi strävar efter att göra är att göra det mer robust och pålitligt. "

Och robusthet och tillförlitlighet kräver noggrannhet.

"Det är därför du går igenom hela designprocessen så noggrant, "Sa Kiburg." Det är så att du kan komma till en punkt där du förvandlar det till ett fysikresultat, och vi står utanför dörren där, så det här är en rolig tid. "