Muon g-2 - Muon g-2

The G−2 magnet s úložným prstencem ve Fermilab, který byl původně navržen pro Brookhaven G-2 experiment. Geometrie umožňuje vytvořit v prstenci velmi rovnoměrné magnetické pole.

Muon G−2 (vyslovuje se „gee minus two“) je a částicová fyzika experimentovat na Fermilab měřit anomální magnetický dipólový moment a mion s přesností 0,14 ppm,[1] což bude citlivý test Standardní model. Může také poskytnout důkaz o existenci zcela nových částic.[2]

Mion, stejně jako jeho lehčí sourozenec elektron, působí jako rotující magnet. Parametr známý jako „G-faktor "označuje, jak silný je magnet a rychlost jeho kroužení. Hodnota G je o něco větší než 2, odtud název experimentu. Tento rozdíl od 2 („anomální“ část) je způsoben příspěvky vyššího řádu od kvantová teorie pole. Při měření G−2 s vysokou přesností a porovnáním jeho hodnoty s teoretickou predikcí fyzici zjistí, zda experiment souhlasí s teorií. Jakákoli odchylka by ukazovala na dosud neobjevené subatomární částice, které existují v přírodě.[3]

Byly dokončeny tři období odběru dat (běh 1 až běh 3), přičemž v současné době probíhají přípravy na běh 4. Analýza dat stále probíhá od července 2020.[4][5]

Časová osa

Muon G-2 v CERNu

První mion G-2 experimenty se zrodily v CERNu v roce 1959 z iniciativy Leon Lederman.[6][7] Skupina šesti fyziků vytvořila první experiment pomocí Synchrocyclotronu v CERNu. První výsledky byly publikovány v roce 1961,[8] s přesností 2% vzhledem k teoretické hodnotě a poté druhé s touto dobou přesností 0,4%, tedy validace teorie kvantové elektrodynamiky.

Zásobní kruh mionu G-2 experiment v CERNu.

Druhý experiment začal v roce 1966 s novou skupinou, tentokrát s Proton-Synchrotronem, stále v CERNu. Výsledky byly poté 25krát přesnější než ty předchozí a ukázaly kvantitativní nesoulad mezi experimentálními hodnotami a teoretickými, což vyžadovalo, aby fyzici přepočítali svůj teoretický model. Třetí experiment, který byl zahájen v roce 1969, publikoval své konečné výsledky v roce 1979,[9] potvrzující teorii s přesností 0,0007%. Spojené státy převzaly G-2 experiment v roce 1984.[10]

Muon G-2 v Brookhaven National Laboratory

Další fáze výzkumu mionu G-2 bylo provedeno v Brookhavenské národní laboratoři Střídavý gradientový synchrotron. Experiment byl proveden podobně jako poslední z experimentů CERN s cílem 20krát lepší přesnosti. Tato technika zahrnuje skladování 3,094 GeV mionů v jednotném měřeném magnetickém poli a sledování rozdílu precese mionového spinu a frekvence rotace pomocí detekce elektronů rozpadu mionu. Pokrok v přesnosti se zásadně spoléhal na mnohem intenzivnější paprsek, než jaký byl k dispozici v CERNu, a na vstřikování mionů do zásobního prstence, kde předchozí experimenty CERN injektovaly do zásobního prstence piony, z nichž se jen malá část rozpadá na miony, které jsou uloženy. Experiment používal mnohem rovnoměrnější magnetické pole pomocí superferrického supravodivého akumulačního prstencového magnetu, pasivního supravodivého inflektorového magnetu, rychlých mionových kickerů k odklonění injikovaných mionů na uložené oběžné dráhy, vozíku NMR s paprskovou trubicí, který dokázal mapovat magnetické pole v oblasti skladování a mnoho dalších experimentálních pokroků. Experiment vzal data s pozitivními a negativními miony v letech 1997 až 2001. Jeho konečným výsledkem je aµ = 11659208.0(5.4)(3.3) × 10−10 získané kombinací konzistentních výsledků s podobnou přesností z pozitivních a negativních mionů.[11] Toto je dosud nejpřesnější měření tohoto množství.

Muon G-2 ve Fermilabu

Fermilab pokračuje v experimentu prováděném v Brookhaven National Laboratory[12] měřit anomální magnetický dipólový moment z mion. Brookhavenský experiment skončil v roce 2001, ale o deset let později získal Fermilab zařízení a pracuje na přesnějším měření (menší σ ) který buď odstraní nesrovnalost, nebo ji potvrdí jako experimentálně pozorovatelný příklad fyzika nad rámec standardního modelu.

Magnet byl renovován a zapnut v září 2015 a bylo potvrzeno, že má stejný 1.3 ppm základní uniformitu magnetického pole, kterou měl před pohybem.

Od října 2016 byl magnet přestavěn a pečlivě přeplněný produkovat vysoce uniformní magnetické pole. Nové úsilí ve Fermilab vedlo k trojnásobnému zlepšení celkové uniformity, což je důležité pro nové měření s cílem vyšší přesnosti.[13]

V dubnu 2017 spolupráce připravovala experiment pro první výrobní sérii s protony - ke kalibraci detektorových systémů. Magnet přijal první paprsek mionů na svém novém místě 31. května 2017.[14] Pořizování dat potrvá do roku 2020.[15]

Teorie magnetických momentů

Magnetický dipólový moment (G) nabitého leptonu (elektron, mion nebo tau ) je téměř 2. Rozdíl od 2 („anomální“ část) závisí na leptonu a lze jej vypočítat docela přesně na základě aktuálního Standardní model částicové fyziky. Měření elektronu jsou s tímto výpočtem ve vynikající shodě. Brookhavenský experiment provedl toto měření pro miony, což je mnohem technicky obtížnější měření kvůli jejich krátké životnosti, a zjistil, že je to lákavé, ale ne definitivní, 3σ rozpor mezi naměřenou hodnotou a vypočítanou hodnotou (0.0011659209 proti 0.0011659180).[16]

Měření elektronů G−2 je nejpřesněji určená veličina ve fyzice. Nedávno byla změřena na 3 části z 1013 a jeho hodnota vypočítaná v QED ze součtu 12 672 Feynmanovy diagramy. Navzdory těmto úžasným experimentálním a teoretickým výkonům však (m/M)2 příspěvek od nových částic je patrný pouze pro malé hodnoty hmotnosti (tj. hmotnost <100 MeV) a v současné době jsou naměřené a předpovídané hodnoty v dobré shodě. Naproti tomu měření G-2 mionu, jehož hmotnost je 220krát větší než hmotnost elektronu, má citlivost na nové částice s hmotností v rozmezí 10 MeV až 1000 GeV, a tak na horním konci sonduje podobnou hmotovou oblast jako LHC experimenty, ale velmi odlišným způsobem. Mion G-2 měření může také zkoumat fyziku nízkých hmot pod citlivostí LHC.[17]

Design

The G−2 prsten dorazí do svého konečného cíle - experimentální haly (MC1) ve Fermilab - 30. července 2014.

V centru experimentu je průměr 50 stop (15 stop) supravodivý magnet s výjimečně jednotným magnetickým polem. To bylo transportováno v jednom kuse z Brookhavenu dovnitř Dlouhý ostrov, New York, do Fermilab v létě roku 2013. Tento krok překonal 3 200 mil za 35 dní,[18] většinou na člunu dolů východní pobřeží a skrz Mobile, Alabama do Vodní cesta Tennessee – Tombigbee a pak krátce na Mississippi. Počáteční a poslední úseky byly na speciálním kamionu, který v noci cestoval uzavřenými dálnicemi.

Vzorek 25 mm × 25 mm × 140 mm PbF2 krystaly (holé a zabalené do papíru Millipore) jsou zobrazeny společně s 16kanálovým monolitickým Hamamatsu SiPM.

Detektory

Měření magnetického momentu je realizováno 24 elektromagnetickými detektory kalorimetru, které jsou rovnoměrně rozloženy na vnitřní straně úložného kroužku. Kalorimetry měří energii a čas příjezdu (ve vztahu k době vstřikování) pozitronů rozpadu (a jejich počtu) z mionu rozklad v úložném kruhu. Poté, co se mion rozpadne na pozitron a dvě neutrina, skončí pozitron s menší energií než původní mion. Magnetické pole jej tedy kroutí dovnitř, kde zasáhne segmentovaný kalorimetr fluoridu olovnatého odečítaný křemíkem foto multiplikátory (SiPM).[19]

The sledovací detektory zaregistrujte trajektorii pozitronů z rozpadu mionu v úložném prstenci. Sledovač může poskytnout mion elektrický dipólový moment měření, ale ne přímo měření magnetického momentu. Hlavním účelem trackeru je měřit profil mionového paprsku a také řešení hromadění událostí (pro snížení systematické nejistoty při měření kalorimetru).[19]

Je zobrazena jedna ze 4 řad 32 brček. Sláma (délka 100 mm a průměr 5 mm) se chová jako ionizační komora naplněn 1: 1 Ar: ethan, s vodičem centrální katody při +1,8 kV

Magnetické pole

Změřit magnetický moment na ppb úroveň přesnosti vyžaduje, aby stejné průměrné magnetické pole mělo stejnou úroveň přesnosti. Experimentální cíl G−2 je dosáhnout úrovně nejistoty na magnetické na 70 ppb zprůměrované v čase a distribuci mionů. Jednotné pole 1.45 T je vytvořen v úložném prstenci pomocí supravodivých magnetů a hodnota pole bude aktivně mapována v celém prstenci pomocí NMR sonda na mobilním vozíku (bez přerušení vakua). Sonda využívá Larmorova frekvence protonu ve sférickém vzorku vody pro vysoce přesné měření magnetického pole.[19]

Sběr dat

Podstatnou součástí experimentu je sběr dat (DAQ) systém, který spravuje tok dat z elektroniky detektoru. Požadavkem experimentu je získání nezpracovaných dat rychlostí 18 GB / s. Toho je dosaženo využitím paralelní architektury zpracování dat pomocí 24 vysokorychlostního připojení GPU (NVIDIA Tesla K40) pro zpracování dat z 12bitových digitizérů vlnových průběhů. Nastavení je řízeno softwarovým rámcem MIDAS DAQ. Systém DAQ zpracovává data z 1296 kalorimetrových kanálů, 3 stanic pro sledování slámy a pomocných detektorů (např. Počitadel počátečních muonů). Celkový datový výstup experimentu se odhaduje na 2 PB.[20]

Spolupráce

Experimentu se účastní následující univerzity, laboratoře a společnosti:[21]

Vysoké školy

Laboratoře

Reference

  1. ^ „Experiment muon g − 2“. Experiment Muon g − 2. Fermilab. Citováno 26. dubna 2017.
  2. ^ Gibney, Elizabeth (13. dubna 2017). „Velký okamžik Muonů by mohl podnítit novou fyziku“. Příroda. 544 (7649): 145–146. Bibcode:2017Natur.544..145G. doi:10.1038 / 544145a. PMID  28406224. S2CID  4400589.
  3. ^ „Muon g − 2 Collaboration to Solve Mystery“. Experiment Muon g − 2. Fermilab. Citováno 30. dubna 2017.
  4. ^ „Tato uzamčená skříň obsahuje odpověď na jednu z největších otázek částicové fyziky“. Gizmodo. 25. ledna 2020.
  5. ^ „Muon g-2 začíná druhý běh“. phys.org. 26. března 2019.
  6. ^ Farley, Francis (2004). „Temná strana mionu“. v Luis Álvarez-Gaumé (vyd.). Nekonečně CERN: vzpomínky na padesát let výzkumu, 1954-2004. Geneva: Editions Suzanne Hurter. 38–41. ISBN  978-2-940031-33-7. OCLC  606546795.
  7. ^ „Archiv experimentu Muon g-2“. Archiv CERN. 2007. Citováno 4. března 2020.
  8. ^ Charpak, Georges; Garwin, Richard L; Farley, Francis J. M.; Müller, T (1994). „Výsledky experimentu g-2“. v Cabibbo, N (vyd.). Leptonova fyzika v CERNu a Frascati. World Scientific. str. 34–. ISBN  9789810220785.
  9. ^ Combley, F; Farley, F.J.M; Picasso, E (1981). „Experimenty mionu (g-2) v CERN“. Fyzikální zprávy. 68 (2): 93–119. doi:10.1016/0370-1573(81)90028-4. ISSN  0370-1573.
  10. ^ „Enigma of muon“. Evropská organizace pro jaderný výzkum (CERN). Citováno 19. července 2018.
  11. ^ Muon g-2 Collaboration; Bennett, G. W .; Bousquet, B .; Brown, H. N .; Bunce, G .; Carey, R. M .; Cushman, P .; Danby, G. T .; Debevec, P. T .; Deile, M .; Deng, H. (7. dubna 2006). „Závěrečná zpráva o anomálním měření magnetického momentu mionu E821 na BNL“. Fyzický přehled D. 73 (7): 072003. doi:10.1103 / PhysRevD.73.072003.
  12. ^ Farley, F (2004). „47 let mionu g − 2“. Pokrok v částicové a jaderné fyzice. 52 (1): 1–83. doi:10.1016 / j.ppnp.2003.09.004. ISSN  0146-6410.
  13. ^ Holzbauer, J. L. (9. prosince 2016). „Muon G−2 Přehled a stav experimentu k červnu 2016 “. Proceedings, 12th International Conference on Beauty, Charm, and Hyperons in Hadronic Interactions (BEACH 2016): Fairfax, Virginia, USA, 12. - 18. června 2016. XIIth International Conference on Beauty, Charm, and Hyperons in Hadronic Interactions. J. Phys. Konf. Ser. 770. p. 012038. arXiv:1610.10069. doi:10.1088/1742-6596/770/1/012038. Prostřednictvím inSPIRE
  14. ^ „Moment Muon Magnet nastal“ (Tisková zpráva). Fermilab. 31. května 2017.
  15. ^ Gohn, W. (15. listopadu 2016). „Mion G-2 experiment ve Fermilab ". 18. mezinárodní workshop o továrnách na neutrino a hledání budoucích zařízení pro neutrino (NuFact16) Quy Nhon, Vietnam, 21. – 27. Srpna 2016. (Pro Muona g'-2 Collaboration). arXiv:1611.04964. Prostřednictvím inSPIRE
  16. ^ Hagiwara, K .; Martin, A.D.; Nomura, Daisuke; Teubner, T. (květen 2007). "Vylepšené předpovědi pro G-2 mionu a αQED(M 2
    Z         )". Fyzikální písmena B. 649 (2–3): 173–179. arXiv:hep-ph / 0611102. Bibcode:2007PhLB..649..173H. CiteSeerX  10.1.1.346.6143. doi:10.1016 / j.physletb.2007.04.012. S2CID  118565052.
  17. ^ „FNAL g − 2 Experiment“. Experiment Muon g − 2. UCL. Citováno 30. dubna 2017.
  18. ^ Hertzog, David; Roberts, Lee (27. října 2014). „Skladovací kruh Muon g − 2 začíná nový život“. Kurýr CERN. Citováno 26. dubna 2017.
  19. ^ A b C Grange, J .; et al. (Muon g − 2 Collaboration) (27. ledna 2015). „Muon (G−2) Zpráva o technickém návrhu ". arXiv:1501.06858. Bibcode:2015arXiv150106858G. Chybějící nebo prázdný | url = (Pomoc) Prostřednictvím inSPIRE
  20. ^ Gohn, W. (15. listopadu 2016). „Sběr dat s GPU: DAQ pro Muon G-2 Experiment ve Fermilab “. Sborník, 38. mezinárodní konference o fyzice vysokých energií (ICHEP 2016): Chicago, IL, USA, 3. – 10. Srpna 2016. (Pro Muon g − 2 Collaboration). p. 174. arXiv:1611.04959. Bibcode:2016arXiv161104959G. doi:10.22323/1.282.0174. Prostřednictvím inSPIRE
  21. ^ „Muon g − 2 Collaboration“. Experiment Muon g − 2. Fermilab. Citováno 26. dubna 2017.

externí odkazy