Los científicos están probando nuestra comprensión fundamental del universo y hay mucho más por descubrir.
¿Qué tienen en común las pantallas táctiles, la radioterapia y la envoltura retráctil? Todos fueron posibles gracias a la investigación de la 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 Acelerador Nacional Fermi, junto con colaboradores de otras 46 instituciones y siete países, están llevando a cabo un experimento para poner a prueba nuestra comprensión actual del universo. El primeroEl 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 de la composición y el comportamiento del universo hasta ahora. El nuevo experimento es una recreación del de Brookhaven, construido para desafiar o afirmar la discrepancia conmayor 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 dedos, de ahí el nombre Muon g-2.
El experimento en 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, lo que refuerza la evidencia de que hay una nueva física por descubrir. Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con el modelo estándar con una significancia de 4.2 sigma o desviaciones estándar, un poco menos que 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 la física, como la naturaleza de la materia oscura, una sustancia misteriosa y omnipresente que los físicos saben que existe pero que aún tienen que detectar.
"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 unauna 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, incluía a Hong y Simon Corrodi de Argonne, así como a Suvarna Ramachandran y Joe Grange, quienes desde entonces dejaron Argonne.
"Este equipo tiene un conjunto de habilidades impresionante y único con gran experiencia en hardware, planificación operativa y análisis de datos", dijo Winter, quien dirige las contribuciones de Muon g-2 de Argonne. "Hicieron contribuciones vitales al experimento, y nosotrosno podría 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 un círculo a través de un anillo grande y hueco en presencia de un campo magnético fuerte. Este campo mantiene los muones en el anillo y hace quedirección del giro de un muón para rotar. La rotación, que los científicos llaman precesión, es similar a la rotación del eje de la Tierra, solo que mucho, mucho más rápido.
Para calcular g-2 con la precisión deseada, los científicos deben medir dos valores con una certeza muy alta. Uno es la tasa de precesión del espín del muón cuando atraviesa el anillo. El otro es la fuerza del campo magnético que rodea almuon, que influye en su precesión. Ahí es donde entra Argonne.
viaje de campo
Aunque los muones viajan a través de un campo magnético impresionantemente constante, los cambios de temperatura ambiente y los efectos del hardware del experimento causan ligeras variaciones en todo el anillo. Incluso estos pequeños cambios en la intensidad del campo, si no se tienen en cuenta, pueden afectar significativamente la precisión de la g-2 cálculo.
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 dondeEl haz de muones realmente atraviesa. 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 carro utilizado en el experimento de Brookhaven con capacidades de comunicación avanzadas y nuevas magnéticas ultraprecisas.sondas de campo desarrolladas por la Universidad de Washington.
El carro gira alrededor del 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 mapa 3D completo del campo en el anillo. Valores de campoen los puntos del mapa, ingrese al cálculo de g-2 para los muones que pasan a través de esas ubicaciones. Cuanto mejores sean las mediciones de campo, más significativo será 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 bastante desafiante hacer que el carro funcione sin problemas y con seguridad. Se requería que el sistema de control manejara las operaciones de rutina, pero también identificara emergencias y reaccionara adecuadamente", dijo Hong, cuya experiencia tanto en investigación científica como en ingeniería fue crucial para diseñar elcarro para operar 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.
Ajuste fino
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 teslas de Argonne, que alberga un imán de un antiguo escáner de resonancia magnética MRI. El imán produce un campo magnético uniforme y estable conmás de 400 veces la fuerza de un imán de nevera.
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 las sondas lean la misma medida cuando están en el mismo campo magnético y permite a los científicos hacer 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. Sin embargo, estos dispositivos alteran ligeramente el campo magnético en elanillo. Los científicos diseñaron una forma de medir este efecto para eliminarlo del análisis.
Poniéndolo 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 los sellos de tiempo y ubicación correctos. También tenían que entender eldatos, 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 estábamos a cargo del control de calidad de los datos, determinando qué datos defectuosos descartar en el análisis G-2 final".
Corrodi dirigirá el equipo de análisis del campo magnético, resolverá los conflictos con el equipo y se asegurará de que los diversos equipos del experimento converjan en el próximo resultado, dijo Winter. "Realmente es necesario comprender todo el análisis de campo para llegar a nuestrometas científicas. "
El futuro de los experimentos con muones
Lo primero que planean hacer los científicos es verificar los resultados.
"Hasta ahora, la precisión de la medición g-2 final 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. "Solo hemos analizado el 6%de los datos que planeamos asumir durante 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 de g-2 que se llevará a cabo en Japón, y el próximo experimento de muones en Fermilab: el experimento de Mu2e. Estos proyectos ya están utilizandoInstalación de solenoides de Argonne para realizar una calibración cruzada de sus sondas de campo magnético con las utilizadas 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, físico teórico en HEP de Argonne, que trabaja para probarpara explicar estos fenómenos. "También podría haber un renovado interés en la construcción de un colisionador de muones, que podría proporcionar una forma directa de comprobar esta nueva física".
Una vez que los científicos comprendan esta nueva física, es posible que pueda informar modelos cosmológicos y mecánicos cuánticos, o incluso ayudar a los científicos a inventar nuevas tecnologías en el futuro, tal vez la próxima envoltura retráctil.
La colaboración publicó un artículo sobre el resultado en Physical Review Letters, 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 Physical Review A, titulado "Magnetic-medición y análisis de campo para el Muon g -2 Experimento en Fermilab. "
El trabajo sobre Muon g-2 en Argonne está financiado por la Oficina de Ciencias del DOE, Física de altas energías.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Original escrito por Savannah Mitchem. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
Referencias de revistas :
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