När forskare väntar på de efterlängtade initiala resultaten av Muon g-2-experimentet vid US Department of Energy's (DOE) Fermi National Accelerator Laboratory, samarbetande forskare från DOE:s Argonne National Laboratory fortsätter att använda och underhålla det unika systemet som kartlägger magnetfältet i experimentet med en aldrig tidigare skådad precision.

Argonne -forskare uppgraderade mätsystemet, som använder ett avancerat kommunikationsschema och nya magnetfältprober och elektronik för att kartlägga fältet genom hela 45-meters omkretsringen där experimentet äger rum.

Experimentet, som började 2017 och fortsätter idag, kan ha stor betydelse för området partikelfysik. Som en uppföljning av ett tidigare experiment vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, det har befogenhet att bekräfta eller rabattera tidigare resultat, som skulle kunna belysa giltigheten av delar av den regerande standardmodellen för partikelfysik.

Högprecisionsmätningar av viktiga mängder i experimentet är avgörande för att få meningsfulla resultat. Den primära mängden intresse är muons g-faktor, en egenskap som kännetecknar magnetiska och kvantmekaniska egenskaper hos partikeln.

Standardmodellen förutsäger värdet av muons g-faktor mycket exakt. "Eftersom teorin så tydligt förutsäger detta antal, testa g-faktorn genom experiment är ett effektivt sätt att testa teorin, "sa Simon Corrodi, en postdoktor i Argonne's division High Energy Physics (HEP). "Det var en stor avvikelse mellan Brookhavens mätning och den teoretiska förutsägelsen, och om vi bekräftar denna avvikelse, det kommer att signalera förekomsten av oupptäckta partiklar. "

Precis som jordens rotationsaxel föregår - vilket innebär att polerna gradvis rör sig i cirklar - snurrar muonen, en kvantversion av vinkelmoment, föreligger i närvaro av ett magnetfält. Styrkan hos det magnetiska fältet som omger en muon påverkar den hastighet med vilken dess centrifugering sker. Forskare kan bestämma muons g-faktor med hjälp av mätningar av centrifugeringshastigheten och magnetfältets styrka.

Ju mer exakta dessa inledande mätningar är, desto mer övertygande blir slutresultatet. Forskarna är på väg att uppnå fältmätningar exakt till 70 delar per miljard. Denna precision gör att den slutliga beräkningen av g-faktorn kan vara exakt till fyra gånger precisionen från resultaten från Brookhaven-experimentet. Om det experimentellt uppmätta värdet skiljer sig väsentligt från det förväntade standardmodellvärdet, det kan indikera förekomsten av okända partiklar vars närvaro stör det lokala magnetfältet runt muonen.

Vagnstur

Under datainsamlingen, ett magnetfält får en stråle av muoner att resa runt en stor, ihålig ring. För att kartlägga magnetfältstyrkan i hela ringen med hög upplösning och precision, forskarna konstruerade ett vagnsystem för att driva mätsonder runt ringen och samla in data.

University of Heidelberg utvecklade vagnsystemet för Brookhaven -experimentet, och Argonne -forskare renoverade utrustningen och bytte ut elektroniken. Förutom 378 sonder som är monterade i ringen för att ständigt övervaka fältdrivningar, vagnen rymmer 17 sonder som periodiskt mäter fältet med högre upplösning.

"Var tredje dag, vagnen går runt ringen i båda riktningarna, tar runt 9, 000 mätningar per sond och riktning, "sa Corrodi." Sedan tar vi mätningarna för att konstruera skivor av magnetfältet och sedan en hel, 3D-karta över ringen. "

Forskarna vet den exakta platsen för vagnen i ringen från en ny streckkodsläsare som registrerar märken på ringens botten när den rör sig.

Ringen är fylld med ett vakuum för att underlätta kontrollerad nedbrytning av muonerna. För att bevara vakuumet i ringen, ett garage anslutet till ringen och vakuum lagrar vagnen mellan mätningarna. Automatisering av lastning och lossning av vagnen i ringen minskar risken för att forskarna äventyrar vakuumet och magnetfältet genom att interagera med systemet. De minimerade också strömförbrukningen för vagnens elektronik för att begränsa värmen som introduceras i systemet, som annars skulle störa fältmätningens precision.

Forskarna utformade vagnen och garaget för att fungera i ringens starka magnetfält utan att påverka det. "Vi använde en motor som fungerar i det starka magnetfältet och med minimal magnetisk signatur, och motorn flyttar vagnen mekaniskt, med strängar, "sa Corrodi." Detta minskar buller i de fältmätningar som utrustningen introducerar. "

Systemet använder minsta möjliga mängd magnetiskt material, och forskarna testade det magnetiska fotavtrycket för varje enskild komponent med hjälp av testmagneter vid University of Washington och Argonne för att karakterisera den övergripande magnetiska signaturen hos vagnsystemet.

Kommunikationens kraft

Av de två kablarna som drar vagnen runt ringen, en av dem fungerar också som ström- och kommunikationskabel mellan kontrollstationen och mätproberna.

För att mäta fältet, forskarna skickar en radiofrekvens genom kabeln till de 17 vagnproberna. Radiofrekvensen får spinnet av molekylerna inuti sonden att rotera i magnetfältet. Radiofrekvensen stängs sedan av i precis rätt ögonblick, vilket får vattenmolekylernas snurr att förekomma. Detta tillvägagångssätt kallas kärnmagnetisk resonans (NMR).

Frekvensen vid vilken sonderna snurrar beror på magnetfältet i ringen, och en digitaliserare ombord på vagnen omvandlar den analoga radiofrekvensen till flera digitala värden som kommuniceras via kabeln till en kontrollstation. Vid kontrollstationen, forskarna analyserar den digitala informationen för att konstruera spin -precessionsfrekvensen och, från det, en komplett magnetfältskarta.

Under Brookhaven -experimentet alla signaler skickades samtidigt via kabeln. Dock, på grund av omvandlingen från analog till digital signal i det nya experimentet, mycket mer data måste resa över kabeln, och denna ökade hastighet kan störa den mycket exakta radiofrekvensen som behövs för sondmätningen. För att förhindra denna störning, forskarna separerade signalerna i tid, växla mellan radiofrekvenssignalen och datakommunikation i kabeln.

"Vi förser proberna med en radiofrekvens genom en analog signal, "sa Corrodi, "och vi använder en digital signal för att kommunicera data. Kabeln växlar mellan dessa två lägen var 35:e millisekund."

Taktiken för att växla mellan signaler som går genom samma kabel kallas "tidsdelnings-multiplexering, "och det hjälper forskarna att nå specifikationer för inte bara noggrannhet, men även ljudnivåer. En uppgradering från Brookhaven -experimentet, tidsdelningsmultiplexering möjliggör högre upplösningskartläggning och nya funktioner i analys av magnetfältdata.

Kommande resultat

Både fältmappnings-NMR-systemet och dess rörelsekontroll togs framgångsrikt i drift på Fermilab och har varit i driftsäker drift under experimentets tre första datatagningsperioder.

Forskarna har uppnått oöverträffad precision för fältmätningar, samt registrera enhetlighet för ringens magnetfält, i detta Muon g-2-experiment. Forskare analyserar för närvarande den första datarundan från 2018, och de förväntar sig att publicera resultaten i slutet av 2020.

Forskarna redogjorde för den komplexa uppläggningen i ett papper, med titeln "Design och prestanda för ett in-vakuum, magnetfältskartläggningssystem för Muon g-2-experimentet, "publicerad i Journal of Instrumentation .