En begränsande faktor i moderna fysikförsök är den precision vid vilken forskare kan mäta viktiga värden, såsom magnetfältet i en detektor. Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och deras medarbetare har utvecklat en unik anläggning för att kalibrera fältmätare och testa deras gränser inom kraftfulla magnetfält.

Anläggningen har en magnetmagnet från en tidigare magnetisk resonansavbildningsskanner (MRI) som ursprungligen fanns på ett sjukhus i San Francisco. Magneten producerar ett maximalt fält på 4 Tesla - över 400 gånger styrkan hos en kylskåpsmagnet. Dess stora öppning, ursprungligen avsedd att hålla en patient under en MR -skanning, ger forskare gott om utrymme att placera enheter och maskiner inne i magnetfältet. Fältet som produceras av magneten är också exceptionellt enhetligt och stabilt, ett krav för kalibrering av mätanordningar till den ultrahöga precision som krävs för många partikel- och kärnfysiska experiment.

"Vi har arbetat med flera forskare, i Argonne och från andra institutioner, som behöver ett starkt magnetfält och stort hål för att testa sin forskning, "sa Peter Winter, fysiker och gruppledare i Argonnes division High Energy Physics. "Forskare tar med sig sina enheter och elektronik, och vi tillhandahåller vår magnet, expertis och infrastruktur för att automatisera processerna och säkerställa testernas framgång. "

Teamet söker nya användare för att fortsätta att bredda anläggningens applikationsportfölj.

Kalibreringsstation

En primär tillämpning av Argonnes solenoidtestanläggning är kalibrering och korskalibrering av mätprober för att uppnå hög precision och för att lägga till lager av konsistens mellan liknande experiment över hela världen.

Ursprungligen, Argonne-forskare förvärvade magneten för att testa och kalibrera flera sonder som utvecklats av University of Massachusetts för att mäta magnetfältet i Muon g minus 2 (Muon g-2) -experimentet som för närvarande äger rum på DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab). Testanläggningen tillät forskarna att uppnå exakta fältmätningar ner till flera delar per miljard - som att mäta jordens omkrets ner till cirka två tum.

Exakt mätning av fältet i experimentet är avgörande eftersom magnetfältets styrka är en viktig aktör vid den slutliga bestämningen av g, en egenskap hos muonen vars bestämning antingen bekräftar nuvarande teorier om partikelfysik eller pekar på förekomsten av oupptäckta partiklar.

"Denna anläggning har gjort det möjligt för magnetfältsteamet på Muon g-2 att uppfylla strikta mål för experimentet genom att minska osäkerheter och förbättra robustheten hos våra mätningar, "sa David Kawall, en fysiker och professor från University of Massachusetts. "Så vitt jag vet, det finns inga kamratfaciliteter i världen, och att ha tillgång till dessa verktyg i Argonne har varit avgörande för framgången med magnetfältet på Muon g-2. "

Framtida g-2-experiment kommer att genomföras i Japan vid Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) från High Energy Accelerator Research Organization (KEK). De japanska medarbetarna, ledd av Ken-ichi Sasaki, använder anläggningen för att korskalibrera sina magnetfältprober med de som används på Fermilab.

"Genom att se till att våra sonder alla läser samma värden i samma magnetfält, vi lägger till säkerhet för mätningarna från båda g-2-experimenten, sa Sasaki, som är professor vid KEK och undersektionsledare för kryogenavdelningen i J-PARC.

Ännu ett muon -experiment, Muonium -spektroskopi -experimentet med hjälp av mikrovågor (MuSEUM), kommer att bidra till det japanska g-2-experimentet genom att exakt mäta massförhållandet mellan muonen och elektronen, ett värde som också ingår i g-2-bestämningen.

Experimentet vid KEK i Japan använder mycket liknande nukleära magnetiska resonans (NMR) kalibreringsprober som g-2-experimentet. Utvecklingen av sonden för MuSEUM har letts av Toya Tanaka, en doktorand vid University of Tokyo som använder magnetventilen för att kalibrera experimentets sonder. Samarbetet mellan Japan och amerikanska forskare kommer att säkerställa att både g-2-experiment och MuSEUM-experimentet har en konsekvent fältmätning.

Helium och Hall sondutveckling

Genom ett partnerskap med Fermilabs Thomas Strauss, en annan japansk grupp, ledd av Norihito Ohuchi och Yasushi Arimoto från KEK, använder anläggningen för att kalibrera sin egen sond - kallad en Hall -sond - för det kommande SuperKEKB -experimentet.

Även om det är mindre exakt än NMR-sonderna som används i de aktuella g-2-experimenten, Hallprober kan inte bara mäta storleken på ett magnetfält med fältgradienten, men också dess riktning.

SuperKEKB, en nyligen uppgraderad, tre kilometer elektron-positron-kolliderare, accelererar partiklar som kallas elektroner och positroner mycket nära ljusets hastighet. Forskarna kommer att använda mätningarna från partiklar som skapats vid kollisioner för att undersöka en möjlig förklaring av materia-antimateria asymmetri i universum.

SuperKEKB -experimentet omfattar fem supraledande magnetventiler i strålkollisionsområdet. Magnetventilerna har stort inflytande på kollisionernas effektivitet. För att höja strålkollisionseffektiviteten, teamet kommer att använda kalibrerade data från Hall -sonder för att göra mer exakta magnetfältprofiler.

"Med hjälp av Argonnes testanläggning, vi tror att vi kan förbättra Hall -sondernas noggrannhet med en storleksordning, "sa Ohuchi, som är professor vid KEK och ledare för gruppen superledande magnet i Accelerator Laboratory. "Detta gör det möjligt för oss att kartlägga de komplexa magnetfält som produceras av SuperKEKB -magneterna och förbättra strålarnas kvalitet."

Ännu ett kommande experiment på Fermilab, kallad Mu2e, kommer också att använda Hall -sonder för fältkartläggning. Experimentet använder en magnetmagnet som Argonnes, men större, för att mäta muon -interaktioner. Den regerande standardmodellen för partikelfysik gör att muoner kan förfalla på ett specifikt sätt, men för detta experiment, forskare kommer att söka efter en förbjuden interaktion vars förekomst skulle bryta mot standardmodellen och peka på ny fysik.

Hall -sondernas förmåga att mäta riktningen på ett fält gör det till den föredragna sonden för Mu2e -experimentet, men den extra kapaciteten kräver ännu mer kvalitetskontroll. Argonne -forskare har tagit ansvaret för fältkartläggning i Mu2e -experimentet, och de använder testanläggningen för att kalibrera sonderna.

"Om du har en liten felriktning mellan riktningen från vilken sonden läser mätningen och där fältet faktiskt pekar, mätningen kan avvika från det sanna värdet mycket snabbt, "sa Bob Wagner, ledare för fältkartläggningsteamet i Argonne. "Vår magnet tillåter oss att rikta in probernas axlar med fältet och med varandra."

När Hall -sonderna blir mer exakta och exakta med hjälp av Argonnes testanläggning, en ny sond - en som använder helium - gör sin debut. En grupp forskare från University of Michigan, ledd av professor Tim Chupp och Midhat Farooq, utvecklat den nya kalibreringssonden för att fungera som en extra kontroll för mätfält

Heliumisotopen i sonden, helium-3, är en inert gas som beter sig annorlunda än vattnet som används i traditionella sonder och har potential för större noggrannhet. "Vi använde Argonne testmagnet för att korskalibrera vår sond med två vattensonder, inklusive en med samma design som UMass -sonden, och fann överenskommelse med hög precision, bekräftar att alla effekter vi inte hade tänkt på är ganska små, "sa Chupp." Vårt nästa steg är korskalibrering av UMass-sonden med en förbättrad helium-3-sond som blir ännu mer exakt. "

Farooq och team publicerade en artikel i Fysiska granskningsbrev i juni 2020 om framgången med deras heliumprob.

En växande lista över applikationer

Sedan man accepterade sin första grupp externa användare - forskare från Stony Brook University som testade en magnetisk kappa för att skydda elektronik i experiment - har anläggningens applikationer och användarbas ökat betydligt.

Förutom sondkalibrering, magneten har också hjälpt till att testa och utveckla en mängd experimentell utrustning. Argonnes Junqi Xie, en forskare i laboratoriets fysikavdelning, använder magneten för att utveckla detektorer som arbetar i högmagnetiska fält för fotosenseringstillämpningar. Detektorerna kommer att ha framtida applikationer i Electron-Ion Collider som ska byggas vid DOE:s Brookhaven National Laboratory.

Fermilab använde nyligen magneten för att testa sina lasermätningssystem som de använder för att mäta avstånd och anpassa utrustning i experiment. De testade förmågan hos flera laserspårare, som kan mäta avstånd på submillimeternivå, att vara exakt i närvaro av höga magnetfält.

"Anläggningen har också varit till hjälp för att utbilda nästa generations forskare, "sa Kawall, "och de internationella samarbeten som bildas kommer att vara till bestående nytta."