Forskare testar vår grundläggande förståelse av universum, och det finns mycket mer att upptäcka.

Vad gör pekskärmar, strålbehandling och krympomslag har gemensamt? Alla möjliggjordes av partikelfysikforskning. Upptäckter av hur universum fungerar i minsta skala leder ofta till enorma framsteg inom teknik som vi använder varje dag.

Forskare från US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory och Fermi National Accelerator Laboratory, tillsammans med samarbetspartners från 46 andra institutioner och sju länder, genomför ett experiment för att sätta vår nuvarande förståelse av universum på prov. Det första resultatet pekar på förekomsten av oupptäckta partiklar eller krafter. Denna nya fysik kan hjälpa till att förklara mångåriga vetenskapliga mysterier, och den nya insikten bidrar till ett lager av information som forskare kan utnyttja när de modellerar vårt universum och utvecklar ny teknik.

Experimentet, Muon g-2 (uttalas Muon g minus 2), följer en som började på 90 -talet vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, där forskare mätte en magnetisk egenskap hos en grundläggande partikel som kallas muon.

Brookhaven -experimentet gav ett resultat som skilde sig från det värde som förutspås av standardmodellen, forskares bästa beskrivning av universums sammansättning och beteende än. Det nya experimentet är en rekreation av Brookhaven's, byggd för att utmana eller bekräfta avvikelsen med högre precision.

Standardmodellen förutsäger mycket exakt muons g-faktor-ett värde som berättar för forskare hur denna partikel beter sig i ett magnetfält. Denna g-faktor är känd för att vara nära värdet två, och experimenten mäter deras avvikelse från två, därav namnet Muon g-2.

Experimentet vid Brookhaven indikerade att g-2 skilde sig från den teoretiska förutsägelsen med några delar per miljon. Denna lilla skillnad antydde förekomsten av okända interaktioner mellan muonen och magnetfältet - interaktioner som kan involvera nya partiklar eller krafter.

Det första resultatet från det nya experimentet håller mycket med Brookhaven, stärka bevisen för att det finns ny fysik att upptäcka. De kombinerade resultaten från Fermilab och Brookhaven visar en skillnad från standardmodellen med en signifikans av 4,2 sigma (eller standardavvikelser), något mindre än den 5 sigma som forskare kräver för att hävda en upptäckt, men fortfarande övertygande bevis på ny fysik. Chansen att resultaten är en statistisk fluktuation är ungefär 1 av 40, 000.

Partiklar bortom standardmodellen kan hjälpa till att förklara förvirrande fenomen inom fysiken, som den mörka materiens natur, en mystisk och genomgripande substans som fysiker vet finns men som ännu inte har upptäckts.

"Det här är ett otroligt spännande resultat, "sa Argonne's Ran Hong, en postdoktor som har arbetat med Muon g-2-experimentet i över fyra år. "Dessa fynd kan ha stora konsekvenser för framtida partikelfysiska experiment och kan leda till ett starkare grepp om hur universum fungerar."

Argonne -teamet av forskare bidrog avsevärt till experimentets framgång. Det ursprungliga laget, monterad och ledd av fysikern Peter Winter, inkluderade Argonnes Hong och Simon Corrodi, liksom Suvarna Ramachandran och Joe Grange, som sedan har lämnat Argonne.

"Detta team har en imponerande och unik kompetensuppsättning med hög expertis när det gäller hårdvara, operativ planering och dataanalys, "sa Winter, som leder Muon g-2-bidrag från Argonne. "De gjorde viktiga bidrag till experimentet, och vi hade inte kunnat få dessa resultat utan deras arbete. "

För att härleda muons sanna g-2, forskarna på Fermilab producerar strålar av muoner som färdas i en cirkel genom en stor, ihålig ring i närvaro av ett starkt magnetfält. Detta fält håller muonerna i ringen och får riktningen för en muons snurr att rotera. Rotationen, som forskare kallar precession, liknar rotationen av jordens axel, bara mycket, mycket snabbare.

För att beräkna g-2 till önskad precision, forskarna måste mäta två värden med mycket hög säkerhet. Den ena är hastigheten för muons snurrprecession när den passerar ringen. Den andra är styrkan hos magnetfältet som omger muonen, som påverkar dess precession. Det är där Argonne kommer in.

Utflykt

Även om muonerna reser genom ett imponerande konstant magnetfält, omgivningstemperaturförändringar och effekter från experimentets hårdvara orsakar små variationer i hela ringen. Även dessa små förändringar i fältstyrka, om inte redovisat, kan avsevärt påverka noggrannheten i g-2-beräkningen.

För att korrigera för fältvariationer, forskarna mäter hela tiden drivfältet med hundratals sonder som är monterade på ringens väggar. Dessutom, de skickar en vagn runt ringen var tredje dag för att mäta fältstyrkan där muonstrålen faktiskt passerar. Monterade på vagnen är sonder som kartlägger magnetfältet med otroligt hög precision genom hela ringens 45-meters omkrets.

För att nå det slutliga osäkerhetsmålet på mindre än 70 delar per miljard (cirka 2,5 gånger bättre än fältmätningen i föregående experiment), Argonne -forskare renoverade vagnsystemet som användes i Brookhaven -experimentet med avancerade kommunikationsförmågor och nya, ultraprecisa magnetfältprober utvecklade av University of Washington.

Vagnen går runt ringen i båda riktningarna, tar runt 9, 000 mätningar per sond och riktning. Forskarna använder mätningarna för att rekonstruera skivor av magnetfältet och härleda sedan en fullständig, 3D -karta över fältet i ringen. Fältvärden vid punkter på kartan går in i g-2-beräkningen för muoner som passerar genom dessa platser. Ju bättre fältmätningar, desto mer meningsfullt blir det slutliga resultatet.

Forskarna konverterade också några av de analoga signalerna som användes i det gamla experimentet till digitala signaler för att öka mängden data de kunde få från sonderna. Detta krävde komplex konstruktion av vagnens kommunikationssystem för att minimera störningar av de känsliga sonderingsmekanismerna.

"Det var ganska utmanande att få vagnen att fungera smidigt och säkert. Det krävde att kontrollsystemet hanterade rutinmässiga operationer men också identifierade nödsituationer och reagerade på lämpligt sätt, "sa Hong, vars bakgrund inom både vetenskaplig forskning och teknik var avgörande för att utforma vagnen för att fungera med begränsad avbrott i experimentet.

Teamet planerar att uppgradera vagnsystemet för nästa datatid för att ytterligare förbättra mätningarna genom att minska osäkerheten bit för bit.

Finjustering

I precisionsexperiment som Muon g-2, huvudmålet är att minska eventuell systematisk osäkerhet eller fel som kan påverka mätningarna.

"Det är relativt enkelt att mäta de råa siffrorna - att ta reda på hur väl vi vet att siffrorna är den verkliga utmaningen, "sa Corrodi, en postdoktor i Argonnes division för hög energifysik (HEP).

För att säkerställa noggrannheten hos magnetfältmätningarna, forskarna kalibrerade sonderna med Argonnes 4-Tesla Solenoid Facility, som rymmer en magnet från en tidigare magnetisk resonanstomografi (MRI) skanner. Magneten producerar ett enhetligt och stabilt magnetfält med över 400 gånger styrkan hos en kylmagnet.

Argonne -forskare kalibrerade sonderna i vagnen mot avläsningar från en sond som designades och testades inuti magnetventilen. Denna process säkerställer att sonderna varje läser samma mätning när de befinner sig i samma magnetfält och gör det möjligt för forskarna att göra korrekta korrigeringar. Testanläggningen tillät forskarna att uppnå fältmätningar ner till flera delar per miljard - som att mäta vattenmängden i en pool ner till droppen.

"Förutom att kalibrera sonderna, vi förbättrade fältmätningarna genom att justera driftsinställningarna i farten, "sa Corrodi, "Under dataanalys, vi hittade några effekter som vi inte förväntade oss. "

När Corrodi och team såg fel i data, de undersökte systemet för att identifiera orsaken. Till exempel, vissa enheter i ringen fokuserar muonstrålen för att hålla den centrerad. Dessa enheter, dock, störa magnetfältet i ringen något. Forskarna utformade ett sätt att mäta denna effekt för att ta bort den från analysen.

Få alltid att falla på plats

Resan med magnetfältdata från sond till dator är komplex. Corrodi, Hong och andra konfigurerade hårdvaran och programvaran för att läsa data från fältsonderna med rätt tid- och platsstämplar. De var också tvungna att förstå informationen, som börjar i binär kod, för att integrera dem med den gemensamma analysramen för experimentet.

"Vi var tvungna att konvertera rådata till något vi kunde arbeta med, "sa Hong, "och vi ansvarade för datakvalitetskontrollen, bestämma vilka bristfälliga data som ska slängas i den ultimata g-2-analysen. "

Corrodi kommer att leda analysteamet för magnetfältet, lösa konflikter med utrustning och se till att de olika teamen i experimentet konvergerar till nästa resultat, sa Winter. "Du måste verkligen förstå hela fältanalysen för att nå våra vetenskapliga mål."

Framtiden för muon -experiment

Det första forskarna planerar att göra är att dubbelkolla resultaten.

"Än så länge, precisionen i den ultimata g-2-mätningen är jämförbar med den i Brookhaven-experimentet, men det domineras av det faktum att uppgifterna hittills är begränsade, "sa Corrodi." Vi har bara analyserat 6% av de data vi planerar att ta över hela experimentet. De tillagda uppgifterna minskar osäkerheten avsevärt. "

Det första resultatet är också uppmuntrande för forskare som genomför andra närvarande och planerade muonförsök, inklusive ett framtida g-2-experiment som kommer att genomföras i Japan, och nästa muon -experiment på Fermilab - Mu2e -experimentet. Dessa projekt använder redan Argonnes Solenoid Facility för att korskalibrera sina magnetfältprober med de som används på Fermilab.

"Det kan bli ett nytt försök att leta efter muoner på Large Hadron Collider, söker efter möjliga tips om den nya fysiken bakom g-2-värdet, "sa Carlos Wagner, en teoretisk fysiker i Argonnes HEP, som arbetar för att försöka förklara dessa fenomen. "Det kan också finnas ett förnyat intresse för byggandet av en muon -kolliderare, vilket skulle kunna ge ett direkt sätt att kontrollera denna nya fysik. "

När forskare väl har tagit tag i denna nya fysik, det kan vara möjligt att informera kosmologiska och kvantmekaniska modeller, eller till och med hjälpa forskare att uppfinna ny teknik på vägen - nästa krympomslag, kanske.

Samarbetet publicerade en uppsats om resultatet i Fysiska granskningsbrev , med titeln "Mätning av det positiva muon anomala magnetiska momentet till 0,46 ppm." Ett papper om magnetfältmätningen publicerades också i Fysisk granskning A , med titeln "Magnetfältmätning och analys för Muon g-2-experimentet på Fermilab."