Mientras los científicos esperan los muy esperados resultados iniciales del experimento Muon g-2 en el Laboratorio Nacional del Acelerador Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los científicos colaboradores del Laboratorio Nacional Argonne del DOE continúan empleando y manteniendo el sistema único que mapea el campo magnético en el experimento con una precisión sin precedentes.

Los científicos de Argonne actualizaron el sistema de medición, que utiliza un esquema de comunicación avanzado y nuevas sondas de campo magnético y electrónica para mapear el campo a lo largo del anillo de circunferencia de 45 metros en el que se lleva a cabo el experimento.

El experimento, que comenzó en 2017 y continúa hoy, podría ser de gran importancia para el campo de la física de partículas. Como seguimiento de un experimento anterior en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, tiene el poder de afirmar o descontar los resultados anteriores, lo que podría arrojar luz sobre la validez de partes del modelo estándar vigente de física de partículas.

Las mediciones de alta precisión de cantidades importantes en el experimento son cruciales para producir resultados significativos. La principal cantidad de interés es el factor g del muón, una propiedad que caracteriza los atributos magnéticos y mecánicos cuánticos de la partícula.

El modelo estándar predice el valor del factor g del muón con mucha precisión. "Debido a que la teoría predice tan claramente este número, probar el factor g mediante un experimento es una forma eficaz de probar la teoría, "dijo Simon Corrodi, un postdoctoral designado en la división de Física de Altas Energías (HEP) de Argonne. "Hubo una gran desviación entre la medición de Brookhaven y la predicción teórica, y si confirmamos esta discrepancia, señalará la existencia de partículas no descubiertas ".

Al igual que el eje de rotación de la Tierra hace una precesión, es decir, los polos viajan gradualmente en círculos, el giro del muón, una versión cuántica del momento angular, precesos en presencia de un campo magnético. La fuerza del campo magnético que rodea a un muón influye en la velocidad a la que se produce la precesión de su espín. Los científicos pueden determinar el factor g del muón usando medidas de la tasa de precesión de espín y la fuerza del campo magnético.

Cuanto más precisas sean estas mediciones iniciales, más convincente será el resultado final. Los científicos están en camino de lograr mediciones de campo con una precisión de 70 partes por mil millones. Este nivel de precisión permite que el cálculo final del factor g sea cuatro veces más preciso que los resultados del experimento de Brookhaven. Si el valor medido experimentalmente difiere significativamente del valor esperado del modelo estándar, puede indicar la existencia de partículas desconocidas cuya presencia perturba el campo magnético local alrededor del muón.

Paseo en tranvía

Durante la recopilación de datos, un campo magnético hace que un rayo de muones viaje alrededor de un gran anillo hueco. Para mapear la fuerza del campo magnético en todo el anillo con alta resolución y precisión, los científicos diseñaron un sistema de carro para impulsar sondas de medición alrededor del anillo y recopilar datos.

La Universidad de Heidelberg desarrolló el sistema de carritos para el experimento de Brookhaven, y los científicos de Argonne renovaron el equipo y reemplazaron la electrónica. Además de las 378 sondas que están montadas dentro del anillo para monitorear constantemente las desviaciones del campo, el carro contiene 17 sondas que miden periódicamente el campo con mayor resolución.

"Cada tres días, el carro da la vuelta al anillo en ambas direcciones, tomando alrededor de 9, 000 mediciones por sonda y dirección, ", dijo Corrodi." Luego tomamos las medidas para construir cortes del campo magnético y luego un completo, Mapa tridimensional del anillo ".

Los científicos conocen la ubicación exacta del carro en el anillo gracias a un nuevo lector de códigos de barras que registra las marcas en la parte inferior del anillo a medida que se mueve.

El anillo se llena con un vacío para facilitar la descomposición controlada de los muones. Para preservar el vacío dentro del anillo, Un garaje conectado al anillo y al vacío almacena el carro entre medidas. La automatización del proceso de carga y descarga del carro en el anillo reduce el riesgo de que los científicos comprometan el vacío y el campo magnético al interactuar con el sistema. También minimizaron el consumo de energía de la electrónica del carro para limitar el calor introducido en el sistema, que de otro modo interrumpiría la precisión de la medición de campo.

Los científicos diseñaron el carro y el garaje para operar en el fuerte campo magnético del anillo sin influir en él. "Usamos un motor que funciona en un campo magnético fuerte y con una firma magnética mínima, y el motor mueve el carro mecánicamente, usando cadenas, ", dijo Corrodi." Esto reduce el ruido en las mediciones de campo introducidas por el equipo ".

El sistema utiliza la menor cantidad de material magnético posible, y los científicos probaron la huella magnética de cada componente utilizando imanes de prueba en la Universidad de Washington y Argonne para caracterizar la firma magnética general del sistema de carro.

El poder de la comunicacion

De los dos cables que tiran del carro alrededor del anillo, uno de ellos también actúa como cable de alimentación y comunicación entre la estación de control y las sondas de medida.

Para medir el campo, los científicos envían una radiofrecuencia a través del cable a las 17 sondas del carro. La radiofrecuencia hace que los espines de las moléculas dentro de la sonda giren en el campo magnético. La frecuencia de radio se apaga en el momento justo, provocando que los giros de las moléculas de agua se precesen. Este método se denomina resonancia magnética nuclear (RMN).

La frecuencia a la que precesan los espines de las sondas depende del campo magnético en el anillo, y un digitalizador a bordo del carro convierte la radiofrecuencia analógica en múltiples valores digitales comunicados a través del cable a una estación de control. En la estación de control, los científicos analizan los datos digitales para construir la frecuencia de precesión de espín y, a partir de ese, un mapa completo del campo magnético.

Durante el experimento de Brookhaven, todas las señales se enviaron a través del cable simultáneamente. Sin embargo, debido a la conversión de señal analógica a digital en el nuevo experimento, muchos más datos tienen que viajar por el cable, y este aumento de velocidad podría perturbar la frecuencia de radio muy precisa necesaria para la medición de la sonda. Para evitar esta perturbación, los científicos separaron las señales en el tiempo, conmutación entre la señal de radiofrecuencia y la comunicación de datos en el cable.

"Proporcionamos a las sondas una radiofrecuencia a través de una señal analógica, "dijo Corrodi, "y usamos una señal digital para comunicar los datos. El cable cambia entre estos dos modos cada 35 milisegundos".

La táctica de cambiar entre señales que viajan a través del mismo cable se llama "multiplexación por división de tiempo, "y ayuda a los científicos a alcanzar especificaciones no solo de precisión, pero también niveles de ruido. Una actualización del experimento de Brookhaven, La multiplexación por división de tiempo permite un mapeo de mayor resolución y nuevas capacidades en el análisis de datos de campos magnéticos.

Próximos resultados

Tanto el sistema de RMN de mapeo de campo como su control de movimiento se encargaron con éxito en Fermilab y han estado en funcionamiento confiable durante los primeros tres períodos de toma de datos del experimento.

Los científicos han logrado una precisión sin precedentes para las mediciones de campo, así como registrar la uniformidad del campo magnético del anillo, en este experimento de Muon g-2. Los científicos están analizando actualmente la primera ronda de datos de 2018, y esperan publicar los resultados a finales de 2020.

Los científicos detallaron la compleja configuración en un documento, titulado "Diseño y ejecución de un vacío, sistema de mapeo de campo magnético para el experimento Muon g-2, "publicado en el Revista de instrumentación .