Los científicos están probando nuestra comprensión fundamental del universo, y hay mucho más por descubrir.

¿Qué hacen las pantallas táctiles, ¿La radioterapia y la envoltura retráctil tienen en común? Todos fueron posibles gracias a la investigación en física de partículas. Los descubrimientos de cómo funciona el universo a la escala más pequeña a menudo conducen a grandes avances en la tecnología que usamos todos los días.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) y del Laboratorio Nacional Acelerador Fermi, junto con colaboradores de otras 46 instituciones y siete países, estamos realizando un experimento para poner a prueba nuestra comprensión actual del universo. El primer resultado apunta a la existencia de partículas o fuerzas no descubiertas. Esta nueva física podría ayudar a explicar misterios científicos de larga data, y la nueva información se suma a un almacén de información que los científicos pueden aprovechar al modelar nuestro universo y desarrollar nuevas tecnologías.

El experimento, Muon g-2 (pronunciado Muon g menos 2), sigue a uno que comenzó en los años 90 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, en el que los científicos midieron una propiedad magnética de una partícula fundamental llamada muón.

El experimento de Brookhaven arrojó un resultado que difirió del valor predicho por el modelo estándar, La mejor descripción de los científicos sobre la composición y el comportamiento del universo hasta ahora. El nuevo experimento es una recreación de Brookhaven, construido para desafiar o afirmar la discrepancia con mayor precisión.

El modelo estándar predice con mucha precisión el factor g del muón, un valor que les dice a los científicos cómo se comporta esta partícula en un campo magnético. Se sabe que este factor g está cerca del valor dos, y los experimentos miden su desviación de dos, de ahí el nombre de Muon g-2.

El experimento de Brookhaven indicó que g-2 difería de la predicción teórica en unas pocas partes por millón. Esta minúscula diferencia insinuaba la existencia de interacciones desconocidas entre el muón y el campo magnético, interacciones que podrían involucrar nuevas partículas o fuerzas.

El primer resultado del nuevo experimento concuerda fuertemente con el de Brookhaven, reforzando la evidencia de que hay nueva física por descubrir. Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con el modelo estándar con una significación de 4,2 sigma (o desviaciones estándar), un poco menos de los 5 sigma que los científicos requieren para reclamar un descubrimiento, pero aún evidencia convincente de nueva física. La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 en 40, 000.

Las partículas más allá del modelo estándar podrían ayudar a explicar fenómenos desconcertantes en física, como la naturaleza de la materia oscura, una sustancia misteriosa y omnipresente que los físicos saben que existe pero que aún no han detectado.

"Este es un resultado increíblemente emocionante, "dijo Ran Hong de Argonne, un postdoctoral designado que trabajó en el experimento Muon g-2 durante más de cuatro años. "Estos hallazgos podrían tener importantes implicaciones para futuros experimentos de física de partículas y podrían conducir a una comprensión más sólida de cómo funciona el universo".

El equipo de científicos de Argonne contribuyó significativamente al éxito del experimento. El equipo original, reunido y dirigido por el físico Peter Winter, incluidos Hong y Simon Corrodi de Argonne, así como a Suvarna Ramachandran y Joe Grange, que desde entonces han dejado Argonne.

"Este equipo tiene un conjunto de habilidades impresionante y único con una gran experiencia en hardware, planificación operativa y análisis de datos, "dijo Winter, quien lidera las contribuciones de Muon g-2 de Argonne. "Hicieron contribuciones vitales al experimento, y no podríamos haber obtenido estos resultados sin su trabajo ".

Para derivar el verdadero g-2 del muón, Los científicos de Fermilab producen haces de muones que viajan en círculo a través de un gran anillo hueco en presencia de un fuerte campo magnético. Este campo mantiene a los muones en el anillo y hace que la dirección del giro de un muón gire. La rotación que los científicos llaman precesión, es similar a la rotación del eje de la Tierra, solo mucho, mucho mas rápido.

Para calcular g-2 con la precisión deseada, los científicos necesitan medir dos valores con una certeza muy alta. Uno es la velocidad de la precesión de giro del muón cuando atraviesa el anillo. La otra es la fuerza del campo magnético que rodea al muón, que influye en su precesión. Ahí es donde entra Argonne.

Viaje de estudios

Aunque los muones viajan a través de un campo magnético impresionantemente constante, Los cambios de temperatura ambiente y los efectos del hardware del experimento provocan ligeras variaciones en todo el anillo. Incluso estos pequeños cambios en la intensidad del campo, si no se contabiliza, puede afectar significativamente la precisión del cálculo de g-2.

Para corregir las variaciones de campo, los científicos miden constantemente el campo a la deriva utilizando cientos de sondas montadas en las paredes del anillo. Además, envían un carro alrededor del anillo cada tres días para medir la intensidad del campo por donde realmente pasa el haz de muones. Montadas en el carro hay sondas que trazan el campo magnético con una precisión increíblemente alta en toda la circunferencia de 45 metros del anillo.

Para alcanzar el objetivo de incertidumbre final de menos de 70 partes por mil millones (alrededor de 2,5 veces mejor que la medición de campo en el experimento anterior), Los científicos de Argonne renovaron el sistema de carritos utilizado en el experimento de Brookhaven con capacidades de comunicación avanzadas y nuevas, sondas de campo magnético ultraprecisas desarrolladas por la Universidad de Washington.

El carro da la vuelta al anillo en ambas direcciones, tomando alrededor de 9, 000 mediciones por sonda y dirección. Los científicos usan las mediciones para reconstruir cortes del campo magnético y luego derivar un completo, Mapa 3D del campo en el ring. Los valores de campo en puntos del mapa se incluyen en el cálculo de g-2 para los muones que pasan por esas ubicaciones. Cuanto mejores sean las mediciones de campo, cuanto más significativo sea el resultado final.

Los científicos también convirtieron algunas de las señales analógicas utilizadas en el antiguo experimento en señales digitales para aumentar la cantidad de datos que podían obtener de las sondas. Esto requirió una compleja ingeniería del sistema de comunicaciones del carro para minimizar las perturbaciones en los sensibles mecanismos de sondeo.

"Fue todo un desafío hacer que el carro funcionara sin problemas y de forma segura. Se requería que el sistema de control manejara las operaciones de rutina, pero también identificara emergencias y reaccionara de manera apropiada, "dijo Hong, cuya experiencia tanto en investigación científica como en ingeniería fue crucial para diseñar el carro para que funcionara con una interrupción limitada del experimento.

El equipo planea actualizar el sistema del carro para el próximo período de toma de datos para mejorar aún más las mediciones al reducir la incertidumbre poco a poco.

Sintonia FINA

En experimentos de precisión como Muon g-2, el objetivo principal es reducir cualquier incertidumbre o error sistemático que pueda afectar las mediciones.

"Medir los números brutos es relativamente fácil:averiguar qué tan bien conocemos los números es el verdadero desafío, "dijo Corrodi, un postdoctoral designado en la división de Física de Altas Energías (HEP) de Argonne.

Para garantizar la precisión de las mediciones del campo magnético, los científicos calibraron las sondas utilizando la instalación de solenoides de 4 Tesla de Argonne, que alberga un imán de un antiguo escáner de imágenes por resonancia magnética (IRM). El imán produce un campo magnético uniforme y estable con más de 400 veces la fuerza de un imán de refrigerador.

Los científicos de Argonne calibraron las sondas en el carro con las lecturas de una sonda que fue diseñada y probada dentro del imán de solenoide. Este proceso garantiza que cada una de las sondas lea la misma medición cuando se encuentra en el mismo campo magnético y permite a los científicos realizar correcciones precisas. La instalación de prueba permitió a los científicos lograr mediciones de campo de varias partes por mil millones, como medir el volumen de agua en una piscina hasta la gota.

"Además de calibrar las sondas, mejoramos las mediciones de campo ajustando la configuración de operación sobre la marcha, "dijo Corrodi, "Durante el análisis de datos, encontramos algunos efectos que no esperábamos ".

Cuando Corrodi y su equipo vieron fallas en los datos, investigaron el sistema para identificar la causa. Por ejemplo, ciertos dispositivos en el anillo enfocan el haz de muones para mantenerlo centrado. Estos dispositivos, sin embargo, interrumpir ligeramente el campo magnético en el anillo. Los científicos diseñaron una forma de medir este efecto para eliminarlo del análisis.

Poniendolo todo junto

El viaje de los datos del campo magnético desde la sonda a la computadora es complejo. Corrodi, Hong y otros configuraron el hardware y el software para leer los datos de las sondas de campo con las marcas de tiempo y ubicación correctas. También tenían que dar sentido a los datos, que comienzan en código binario, para integrarlos con el marco de análisis común para el experimento.

"Tuvimos que convertir los datos sin procesar en algo con lo que pudiéramos trabajar, "dijo Hong, "y nos encargamos del control de calidad de los datos, determinar qué datos defectuosos descartar en el análisis G-2 final ".

Corrodi dirigirá el equipo de análisis del campo magnético, resolver conflictos con el equipo y asegurarse de que los distintos equipos del experimento converjan en el siguiente resultado, dijo Winter. "Realmente es necesario comprender todo el análisis de campo para alcanzar nuestros objetivos científicos".

El futuro de los experimentos con muones

Lo primero que planean hacer los científicos es verificar los resultados.

"Hasta aquí, la precisión de la última medición de g-2 es comparable a la del experimento de Brookhaven, pero eso está dominado por el hecho de que los datos son limitados hasta ahora, ", dijo Corrodi." Sólo hemos analizado el 6% de los datos que planeamos asumir todo el experimento. Esos datos agregados reducirán la incertidumbre de manera significativa ".

El primer resultado también es alentador para los científicos que realizan otros experimentos de muones presentes y planificados. incluido un futuro experimento g-2 que se llevará a cabo en Japón, y el siguiente experimento de muones en Fermilab:el experimento de Mu2e. Estos proyectos ya están utilizando la instalación de solenoides de Argonne para realizar una calibración cruzada de sus sondas de campo magnético con las que se utilizan en Fermilab.

"Podría haber un esfuerzo renovado para buscar muones en el Gran Colisionador de Hadrones, buscando posibles indicios de la nueva física detrás del valor g-2, "dijo Carlos Wagner, un físico teórico en HEP ​​de Argonne, que trabaja para intentar explicar estos fenómenos. "También podría haber un renovado interés en la construcción de un colisionador de muones, lo que podría proporcionar una forma directa de comprobar esta nueva física ".

Una vez que los científicos se familiaricen con esta nueva física, puede ser capaz de informar modelos cosmológicos y mecánicos cuánticos, o incluso ayudar a los científicos a inventar nuevas tecnologías en el futuro:la próxima envoltura retráctil, quizás.

La colaboración publicó un artículo sobre el resultado en Cartas de revisión física , titulado "Medición del momento magnético anómalo del muón positivo a 0,46 ppm". También se publicó un artículo sobre la medición del campo magnético en Revisión física A , titulado "Medición y análisis de campo magnético para el experimento Muon g-2 en Fermilab".