Un factor limitante en los experimentos de física moderna es la precisión con la que los científicos pueden medir valores importantes, como el campo magnético dentro de un detector. Los científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y sus colaboradores han desarrollado una instalación única para calibrar dispositivos de medición de campo y probar sus límites dentro de potentes campos magnéticos.

La instalación cuenta con un imán de solenoide de un antiguo escáner de imágenes por resonancia magnética (IRM) originalmente alojado en un hospital de San Francisco. El imán produce un campo máximo de 4 Tesla, más de 400 veces la fuerza de un imán de refrigerador. Su gran abertura, originalmente destinado a sostener a un paciente durante una resonancia magnética, da a los científicos un amplio espacio para colocar dispositivos y maquinaria dentro del campo magnético. El campo producido por el imán también es excepcionalmente uniforme y estable, un requisito para calibrar dispositivos de medición con la precisión ultra alta necesaria para muchos experimentos de física nuclear y de partículas.

"Hemos trabajado con varios investigadores, en Argonne y de otras instituciones, que necesitan un campo magnético fuerte y un gran calibre para probar su investigación, "dijo Peter Winter, físico y líder de grupo en la división de Física de Altas Energías de Argonne. "Los científicos traen sus dispositivos y dispositivos electrónicos, y proporcionamos nuestro imán, experiencia e infraestructura para ayudar a automatizar los procesos y garantizar el éxito de las pruebas ".

El equipo está buscando nuevos usuarios para continuar ampliando la cartera de aplicaciones de la instalación.

Estación de calibración

Una aplicación principal de la instalación de prueba de solenoides de Argonne es la calibración y la calibración cruzada de sondas de medición para lograr una alta precisión y agregar capas de coherencia entre experimentos similares en todo el mundo.

Originalmente, Los científicos de Argonne adquirieron el imán para probar y calibrar varias sondas desarrolladas por la Universidad de Massachusetts para medir el campo magnético en el experimento Muon g minus 2 (Muon g-2) que se está llevando a cabo actualmente en el Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. La instalación de prueba permitió a los científicos lograr mediciones de campo precisas de varias partes por mil millones, como medir la circunferencia de la Tierra hasta aproximadamente dos pulgadas.

La medición precisa del campo en el experimento es crucial porque la intensidad del campo magnético es un factor importante en la determinación final de g, una propiedad del muón cuya determinación confirmará las teorías actuales de la física de partículas o señalará la existencia de partículas no descubiertas.

"Esta instalación ha permitido al equipo de campo magnético en Muon g-2 cumplir con los estrictos objetivos del experimento al reducir las incertidumbres y mejorar la solidez de nuestras mediciones, "dijo David Kawall, físico y profesor de la Universidad de Massachusetts. "Según entiendo, no hay instalaciones de pares en el mundo, y tener acceso a estas herramientas en Argonne ha sido esencial para el éxito del esfuerzo del campo magnético en Muon g-2 ".

Los experimentos futuros de g-2 se llevarán a cabo en Japón en el Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) de la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK). Los colaboradores japoneses, dirigido por Ken-ichi Sasaki, están utilizando la instalación para realizar una calibración cruzada de sus sondas de campo magnético con las que se utilizan en Fermilab.

"Al garantizar que todas nuestras sondas lean los mismos valores en el mismo campo magnético, estamos agregando certeza a las mediciones provenientes de ambos experimentos g-2, "dijo Sasaki, quien es profesor en KEK y líder de subsección de la sección criogénica en J-PARC.

Otro experimento de muones, el experimento de espectroscopia de muonio usando microondas (MuSEUM), contribuirá al experimento japonés g-2 midiendo con precisión la relación de masa del muón al electrón, un valor también incluido en la determinación de g-2.

El experimento de KEK en Japón utiliza sondas de calibración de resonancia magnética nuclear (RMN) muy similares a las del experimento g-2. El desarrollo de la sonda para MuSEUM ha sido dirigido por Toya Tanaka, un estudiante graduado de la Universidad de Tokio que usa la instalación de solenoide para calibrar las sondas del experimento. La colaboración entre científicos de Japón y EE. UU. Garantizará que tanto los experimentos g-2 como el experimento MuSEUM tengan una medición de campo consistente.

Desarrollo de sondas de helio y Hall

A través de una asociación con Thomas Strauss de Fermilab, otro grupo japonés, dirigido por Norihito Ohuchi y Yasushi Arimoto de KEK, está utilizando la función para calibrar su propia sonda, llamada sonda Hall, para el próximo experimento SuperKEKB.

Aunque es menos preciso que las sondas de RMN utilizadas en los experimentos actuales con g-2, Las sondas Hall pueden medir no solo la magnitud de un campo magnético con el gradiente de campo, sino también su dirección.

SuperKEKB, un actualizado recientemente, colisionador electrón-positrón de tres kilómetros, acelera partículas llamadas electrones y positrones muy cerca de la velocidad de la luz. Los científicos utilizarán las mediciones de partículas creadas en colisiones para investigar una posible explicación de la asimetría materia-antimateria en el universo.

El experimento SuperKEKB involucra cinco imanes solenoides superconductores en la región de colisión del haz. Los campos de solenoides tienen una gran influencia en la eficiencia de las colisiones. Para elevar la eficiencia de colisión del haz, el equipo utilizará los datos calibrados de las sondas Hall para hacer perfiles de campo de solenoide más precisos.

"Utilizando las instalaciones de prueba de Argonne, creemos que podemos mejorar la precisión de las sondas Hall en un orden de magnitud, "dijo Ohuchi, quien es profesor en KEK y líder del grupo de imanes superconductores en el Laboratorio del Acelerador. "Esto nos permitirá mapear los complejos campos magnéticos producidos por los imanes SuperKEKB y mejorar la calidad de los haces".

Otro próximo experimento en Fermilab, llamado Mu2e, también empleará sondas Hall para mapeo de campo. El experimento utiliza un imán de solenoide como el de Argonne, pero mas grande, para medir las interacciones de muones. El modelo estándar reinante de física de partículas permite que los muones se descompongan de una manera específica, pero para este experimento, los científicos buscarán una interacción prohibida cuya ocurrencia violaría el Modelo Estándar y apuntaría a una nueva física.

La capacidad de las sondas Hall para medir la dirección de un campo la convierte en la sonda preferida para el experimento Mu2e. pero la capacidad adicional requiere aún más control de calidad. Los científicos de Argonne han asumido la responsabilidad del mapeo de campo en el experimento Mu2e, y están utilizando la instalación de prueba para calibrar las sondas.

"Si tiene una ligera desalineación entre la dirección desde la que la sonda lee su medición y hacia dónde apunta el campo, la medición puede desviarse del valor real muy rápidamente, "dijo Bob Wagner, líder del equipo de mapeo de campo en Argonne. "Nuestro imán nos permite alinear los ejes de las sondas con el campo y entre sí".

A medida que las sondas Hall se vuelven más precisas y precisas con la ayuda de las instalaciones de prueba de Argonne, una nueva sonda, una que usa helio, está haciendo su debut. Un grupo de investigadores de la Universidad de Michigan, dirigido por el profesor Tim Chupp y Midhat Farooq, desarrolló la nueva sonda de calibración para que actúe como un control adicional para los campos de medición

El isótopo de helio en la sonda, helio-3, es un gas inerte que se comporta de manera diferente al agua utilizada en las sondas tradicionales y tiene el potencial de una mayor precisión. "Usamos el imán de prueba de Argonne para realizar una calibración cruzada de nuestra sonda con dos sondas de agua, incluyendo uno con el mismo diseño que la sonda UMass, y encontré un acuerdo con gran precisión, confirmando que los efectos que no habíamos considerado son bastante pequeños, ", dijo Chupp." Nuestro siguiente paso es la calibración cruzada de la sonda UMass con una sonda mejorada de helio-3 que será aún más precisa ".

Farooq y su equipo publicaron un artículo en Cartas de revisión física en junio de 2020 sobre el éxito de su sonda de helio.

Una lista creciente de aplicaciones

Desde que aceptó su primer grupo de usuarios externos, científicos de la Universidad de Stony Brook que probaron una capa magnética para proteger la electrónica en experimentos, las aplicaciones de la instalación y la base de usuarios han crecido significativamente.

Además de la calibración de la sonda, el imán también ha ayudado a probar y desarrollar una variedad de equipos experimentales. Junqi Xie de Argonne, un científico de la división de física del laboratorio, utiliza el imán para desarrollar detectores que operan en campos magnéticos altos para aplicaciones de fotosensibilidad. Los detectores tendrán aplicaciones futuras en el Colisionador de iones de electrones que se construirá en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE.

Fermilab utilizó recientemente el imán para probar sus sistemas de metrología láser que utilizan para medir distancias y alinear equipos en experimentos. Probaron la capacidad de varios rastreadores láser, que puede medir distancias a nivel submilimétrico, para mantener la precisión en presencia de campos magnéticos elevados.

"La instalación también ha sido útil para capacitar a la próxima generación de científicos, "dijo Kawall, "y las colaboraciones internacionales formadas serán un beneficio duradero".