A principios de este mes, el experimento Muon g-2 ("g menos dos") en Fermilab comenzó su segunda ejecución para buscar partículas y fuerzas ocultas.

Durante los próximos tres meses, Los científicos esperan acumular el doble de la cantidad de datos recopilados en la Prueba 1 y realizar la medición más precisa del mundo del momento magnético anómalo del muón. a menudo se expresa como la cantidad g-2.

Run 2 presenta varias mejoras que los científicos hicieron al experimento durante los últimos ocho meses.

"Buscamos tener un entorno más estable en el que tomamos los datos, porque en el primer período de toma de datos intentábamos que todo funcionara y evaluamos cómo funcionaban, "dijo Mark Lancaster, co-portavoz del experimento y profesor de física en la Universidad de Manchester y el University College London. "Ahora estamos intentando pasar al modo en el que las cosas son mucho más estables, y podemos correr durante un período de tiempo razonable sin ninguna intervención ".

Los muones son partículas elementales similares a, pero mucho más pesado que, electrones. El momento magnético de un muón, una característica relacionada con la orientación y la fuerza de su imán interno, cambia a medida que gira, un efecto llamado precesión. Lancaster y sus colegas están midiendo la frecuencia de precesión del momento magnético con mucha precisión y comparando el resultado con lo que los teóricos predicen que debería ser. Al hacerlo, ellos esperan confirmar, o incluso revisar, el modelo estándar de física de partículas.

"A medida que viaja por el universo, una partícula nunca está realmente estrictamente sola, "dijo Chris Polly de Fermilab, el otro co-portavoz del experimento. "Constantemente hay un séquito de otras partículas que aparecen del vacío. Vienen de la nada, y desaparecen tan rápido como aparecieron ".

Esas partículas cambian ligeramente el momento magnético del muón. Al calcular la frecuencia con la que entrarán y saldrán del vacío e interactuarán con el muón, los científicos pueden predecir el impacto de todas las partículas conocidas en el momento magnético con una precisión muy alta. La comparación de esta predicción con el valor obtenido experimentalmente les dirá a los científicos si existen Partículas o fuerzas no descubiertas que cambian el momento magnético.

En reposo, los muones se desintegran en solo dos millonésimas de segundo. Esa desintegración produce dos neutrinos y un positrón, que es un electrón cargado positivamente.

"La mayor parte de nuestros datos provienen de observar las energías y los tiempos de decaimiento de los positrones que provienen de los muones, "dijo Brendan Kiburg, un físico de partículas de Fermilab involucrado en el experimento.

Obtener esos datos requiere una campo magnético medido con precisión.

"Es increíblemente importante que conozcamos el campo magnético que experimentan los muones, ", Dijo Kiburg." Dado que la nueva física que estamos buscando está incrustada en la frecuencia de precesión, tienes que asegurarte de que los muones no vean un campo magnético diferente al que estamos midiendo ".

Afinando el anillo

El imán de anillo de almacenamiento del experimento llegó a Fermilab desde su hogar original en el Laboratorio Nacional de Brookhaven en 2013. Después de años de construcción y ajustes, los operadores sintonizaron el haz y se activaron en la Ejecución 1, una producción de tres meses en 2018.

"Debido a esa corrida de producción, pudimos conocer algunas deficiencias que realmente necesitábamos solucionar, "Dijo Polly.

Hay varias áreas en las que el equipo se centró durante el verano. El primero fue un sistema de imanes cuadrupolos que enfocan los muones y evitan que suban o bajen en espiral.

"Descubrimos durante el cierre que necesitábamos mejorar la confiabilidad del funcionamiento de los cuadrupolos, especialmente en los voltajes más altos que nos gustaría lograr en la próxima ejecución, "Dijo Polly.

Otro problema involucró un dispositivo llamado pateador electromagnético. Cambia la órbita de los muones muy ligeramente para mantenerlos en un camino que permanece dentro del anillo.

"El pateador es probablemente el componente más importante del experimento más allá del ring en sí, "Dijo Kiburg.

Sin el pateador los muones se comportan como un piloto de Fórmula Uno cuyo coche de carreras está en el ángulo equivocado, enviándolos a toda velocidad contra la pared en la primera vuelta. Para evitar esto, el pateador cambia el ángulo de los muones cuando atraviesan la puerta del ring.

"Uno de los problemas con el pateador en Brookhaven fue que era demasiado lento, "Dijo Polly." En lugar de dar una patada a los muones en el primer giro y apagarse, el pulso del pateador continuó durante dos o tres revoluciones alrededor del anillo. Eso fue menos que ideal así que diseñamos un truco para este experimento que podría subir y bajar en un solo turno ".

Si bien la patada desplegada durante la Carrera 1 en Fermilab fue tres veces más rápida, no era lo suficientemente fuerte como para empujar a los muones exactamente a la órbita perfecta alrededor del anillo. Durante el cierre, el equipo actualizó el ring para acomodar a un pateador más poderoso.

El tercer problema fue el control de temperatura en el edificio Muon g-2. El anillo de almacenamiento magnético es extremadamente sensible a la temperatura, tanto que un cambio de más de un grado Celsius puede hacer que se expanda o contraiga. degradando el campo magnético. Mientras realiza la Ejecución 1 durante los meses más calurosos del verano, mantener la temperatura de la instalación fue un desafío. Las mejoras en los sistemas de calefacción y refrigeración de la instalación deberían solucionar eso, Polly dijo.

Una montaña de datos

Recientemente, el equipo comenzó a llevar la viga al anillo de almacenamiento y a probar que las actualizaciones funcionaban según lo planeado. Un objetivo clave de la Ejecución 2 es medir el momento magnético con mucha precisión, a 70 partes por billón. Para obtener ese tipo de precisión, el campo magnético debe ser muy uniforme.

"Pudimos ajustar el campo magnético para que sea dos o tres veces más uniforme, "Polly dijo." Entonces, aunque estamos usando el mismo contenedor, de hecho, lo hemos convertido en un contenedor mucho mejor en términos de comprensión de este campo magnético ".

El equipo también tuvo que impulsar el flujo de muones del experimento, el número de muones por segundo necesarios para alcanzar la precisión estadística necesaria. En la ejecución 1, lograron aproximadamente la mitad de su objetivo. Se espera que una serie de actualizaciones completadas durante el verano aumenten el flujo a aproximadamente el 75 por ciento de la meta. Una actualización final que el equipo está considerando para el próximo verano cambiaría el resto del camino, Polly dijo.

Un próximo desafío es el gran volumen de datos. La ejecución 2 tiene como objetivo reducir la incertidumbre en el resultado del experimento Brookhaven Muon g-2 en un factor de cuatro, que requiere 16 veces las estadísticas. Eso es una gran cantidad de datos.

"Nuestro objetivo es procesar los datos a medida que llegan, ", Dijo Lancaster." Estamos utilizando la informática distribuida para todo, entonces procesamos todo en la red. Parte de lo que nos esforzamos por hacer es hacerlo más robusto y confiable ".

Y la robustez y la fiabilidad requieren rigor.

"Es por eso que recorre todo el proceso de diseño con tanto cuidado, ", Dijo Kiburg." Es para que puedas llegar a un punto en el que lo conviertas en un resultado de física, y estamos en la puerta de allí, así que este es un momento divertido ".