Мюон г-2 - Muon g-2

В грамм−2 накопительный магнит в Фермилаб, который первоначально был разработан для Брукхейвен грамм−2 эксперимент. Геометрия позволяет создать в кольце очень однородное магнитное поле.

Мюон грамм−2 (произносится как «ну минус два») - это физика элементарных частиц эксперимент в Фермилаб измерить аномальный магнитный дипольный момент из мюон с точностью до 0,14 промилле,[1] что будет чувствительной проверкой Стандартная модель. Это также может служить доказательством существования совершенно новых частиц.[2]

Мюон, как и его более легкий собрат электрон, действует как вращающийся магнит. Параметр, известный как "грамм-фактор "указывает на силу магнита и скорость его вращение. Значение грамм немного больше 2, отсюда и название эксперимента. Это отличие от 2 («аномальная» часть) обусловлено вкладами более высоких порядков от квантовая теория поля. При измерении грамм−2 с высокой точностью и сравнивая его значение с теоретическим предсказанием, физики обнаружат, согласуется ли эксперимент с теорией. Любое отклонение указывало бы на еще не обнаруженные субатомные частицы, существующие в природе.[3]

Три периода сбора данных (от прогона-1 до прогона-3) были завершены, и в настоящее время идет подготовка к прогону-4. По состоянию на июль 2020 года анализ данных все еще продолжается.[4][5]

График

Мюон грамм−2 в ЦЕРНе

Первый мюон грамм−2 эксперимента родились в ЦЕРНе в 1959 г. по инициативе Леон Ледерман.[6][7] Группа из шести физиков организовала первый эксперимент, используя синхроциклотрон в ЦЕРНе. Первые результаты были опубликованы в 1961 г.[8] с точностью 2% относительно теоретического значения, а затем вторые, на этот раз с точностью 0,4%, тем самым подтверждая теорию квантовой электродинамики.

Накопитель мюона грамм−2 эксперимент в ЦЕРНе.

Второй эксперимент начался в 1966 году с новой группой, работающей на этот раз с протонным синхротроном, все еще в ЦЕРНе. Результаты были в 25 раз точнее предыдущих и показали количественное расхождение между экспериментальными значениями и теоретическими, что потребовало от физиков пересчета своей теоретической модели. Третий эксперимент, начатый в 1969 году, опубликовал свои окончательные результаты в 1979,[9] подтверждая теорию с точностью 0,0007%. Соединенные Штаты взяли на себя грамм−2 в 1984 г.[10]

Мюон грамм−2 в Брукхейвенской национальной лаборатории

Следующий этап исследований мюонов грамм−2 был проведен в Брукхейвенской национальной лаборатории. Синхротрон с переменным градиентом. Эксперимент проводился аналогично последнему эксперименту ЦЕРНа с целью повышения точности в 20 раз. Этот метод включает хранение мюонов с энергией 3,094 ГэВ в однородном измеренном магнитном поле и наблюдение разницы в прецессии спина мюона и частоте вращения посредством регистрации электронов распада мюона. Повышение точности в значительной степени зависело от гораздо более интенсивного пучка, чем было доступно в ЦЕРНе, и от инжекции мюонов в накопительное кольцо, где в предыдущих экспериментах ЦЕРН инжектировались пионы в накопительное кольцо, лишь небольшая часть которых распадалась на мюоны, которые были хранится. В эксперименте использовалось гораздо более однородное магнитное поле с использованием сверхферрикового сверхпроводящего накопительного магнита, пассивного сверхпроводящего магнитного инфлектора, быстрых мюонных кикеров для отклонения инжектированных мюонов на сохраненные орбиты, тележки ЯМР с лучевой трубкой, которая могла отображать магнитное поле в области хранения. и многие другие экспериментальные достижения. В эксперименте использовались данные с положительными и отрицательными мюонами в период с 1997 по 2001 год. Его окончательный результат -µ = 11659208.0(5.4)(3.3) × 10−10 полученные путем комбинирования согласованных результатов с одинаковой точностью для положительных и отрицательных мюонов.[11] На сегодняшний день это наиболее точное измерение этой величины.

Мюон грамм−2 в Фермилабе

Фермилаб продолжает эксперимент, проводимый на Брукхейвенская национальная лаборатория[12] измерить аномальный магнитный дипольный момент из мюон. Эксперимент в Брукхейвене закончился в 2001 году, но десять лет спустя Fermilab приобрела оборудование и работает над более точным измерением (меньшее σ ), что либо устранит расхождение, либо подтвердит его как экспериментально наблюдаемый пример физика за пределами Стандартной модели.

Магнит был отремонтирован и включен в сентябре 2015 года, и было подтверждено, что он имеет тот же 1,3 промилле основная однородность магнитного поля, которая была у него до движения.

По состоянию на октябрь 2016 года магнит был восстановлен и тщательно прошитый для создания очень однородного магнитного поля. Новые усилия в Fermilab привели к трехкратному улучшению общей однородности, что важно для нового измерения с его целью повышения точности.[13]

В апреле 2017 года коллаборация готовила эксперимент к первому серийному выпуску с протонами - для калибровки детекторных систем. 31 мая 2017 года магнит получил свой первый пучок мюонов на новом месте.[14] Сбор данных продлится до 2020 года.[15]

Теория магнитных моментов

Магнитный дипольный момент (грамм) заряженного лептона (электрон, мюон, или же тау ) очень близко к 2. Отличие от 2 («аномальная» часть) зависит от лептона и может быть вычислено довольно точно на основе текущего Стандартная модель физики элементарных частиц. Измерения электрона полностью согласуются с этим вычислением. В эксперименте в Брукхейвене это измерение проводилось для мюонов, что было технически более сложным из-за их короткого времени жизни, и было обнаружено заманчивое, но не окончательное, 3σ несоответствие между измеренным значением и вычисленным (0.0011659209 против 0.0011659180).[16]

Измерение электронного грамм−2 - наиболее точно определяемая величина в физике. Недавно было измерено, что это 3 части из 10.13 и его значение, рассчитанное в QED из суммы 12 672 Диаграммы Фейнмана. Однако, несмотря на эти удивительные экспериментальные и теоретические подвиги, (м/M)2 Вклад новых частиц заметен только при малых значениях массы (т. е. масса <100 МэВ), и в настоящее время измеренные и предсказанные значения хорошо согласуются. Напротив, измерение грамм−2 мюона, масса которого в 220 раз больше массы электрона, имеет чувствительность к новым частицам с массами в диапазоне от 10 МэВ до 1000 ГэВ и, таким образом, на верхнем конце исследует область, аналогичную массе LHC эксперименты, но совсем по-другому. Мюон граммИзмерение −2 может также исследовать физику малых масс ниже чувствительности LHC.[17]

Дизайн

В грамм−2 прибывает в конечный пункт назначения - экспериментальный зал (MC1) в Фермилабе - 30 июля 2014 г.

Центральным элементом эксперимента является диаметр 50 футов (15 м). сверхпроводящий магнит с исключительно однородным магнитным полем. Он был доставлен целым из Брукхейвена в Лонг-Айленд Из Нью-Йорка в Фермилаб летом 2013 года. Путешествие прошло 3200 миль за 35 дней,[18] в основном на барже вниз по Восточное побережье и через Мобил, Алабама к Теннесси - Водный путь Томбигби а затем кратко о Миссисипи. Первый и последний этапы проходили на специальном грузовике, который ночью ехал по закрытым шоссе.

Образец 25 мм × 25 мм × 140 мм PbF2 кристаллы (голые и завернутые в бумагу Millipore) изображены вместе с 16-канальным монолитным SiPM Hamamatsu.

Детекторы

Измерение магнитного момента осуществляется 24 электромагнитными калориметрические детекторы, которые равномерно распределены внутри накопителя. Калориметры измеряют энергию и время прибытия (относительно времени инжекции) позитронов распада (и их количество) из мюона. разлагаться в накопительном кольце. После того, как мюон распадается на позитрон и два нейтрино, позитрон получает меньше энергии, чем исходный мюон. Таким образом, магнитное поле закручивает его внутрь, где оно попадает в сегментированный калориметр фторида свинца, считываемый кремнием. фотоумножители (SiPM).[19]

В детекторы слежения регистрировать траекторию движения позитронов от распада мюона в накопителе. Трекер может предоставить мюон электрический дипольный момент измерение, но не непосредственно измерение магнитного момента. Основное назначение трекера - измерение профиля мюонного пучка, а также разрешение наложения событий (для уменьшения систематической погрешности измерения калориметра).[19]

Показан один из 4 рядов по 32 соломинки. Соломинка (длина 100 мм, диаметр 5 мм) действует как ионизационная камера заполненный 1: 1 Ar: этан, с центральным катодным проводом на +1,8 кВ

Магнитное поле

Чтобы измерить магнитный момент до ppb Уровень точности требует, чтобы однородное среднее магнитное поле имело такую ​​же точность уровня. Экспериментальная цель грамм−2 - это достижение уровня неопределенности магнитного поля до 70 частей на миллиард, усредненного по времени и распределению мюонов. Единое поле 1.45 Т создается в накопительном кольце с использованием сверхпроводящих магнитов, и значение поля будет активно отображаться по всему кольцу с помощью ЯМР зонд на мобильной тележке (без нарушения вакуума). Зонд использует Ларморова частота протона в сферическом образце воды для высокоточного измерения магнитного поля.[19]

Получение данных

Важным компонентом эксперимента является получение данных (DAQ) система, которая управляет потоком данных от электроники детектора. Требование для эксперимента - получение необработанных данных со скоростью 18 ГБ / с. Это достигается за счет использования архитектуры параллельной обработки данных с использованием 24 высокоскоростных GPU (NVIDIA Tesla K40) для обработки данных с 12-битных преобразователей сигналов. Настройка контролируется программной средой MIDAS DAQ. Система DAQ обрабатывает данные с 1296 калориметрических каналов, 3 станций слежения за строуами и вспомогательных детекторов (например, счетчиков входных мюонов). Общий объем данных эксперимента оценивается в 2 ПБ.[20]

Сотрудничество

В эксперименте участвуют следующие университеты, лаборатории и компании:[21]

Университеты

Лаборатории

Рекомендации

  1. ^ "Эксперимент с мюоном g − 2". Эксперимент с мюоном g − 2. Фермилаб. Получено 26 апреля, 2017.
  2. ^ Гибни, Элизабет (13 апреля 2017 г.). «Большой момент мюонов может дать толчок новой физике». Природа. 544 (7649): 145–146. Bibcode:2017Натура.544..145G. Дои:10.1038 / 544145a. PMID  28406224. S2CID  4400589.
  3. ^ "Сотрудничество с мюоном g − 2 для разгадки тайны". Эксперимент с мюоном g − 2. Фермилаб. Получено 30 апреля, 2017.
  4. ^ «Этот запертый шкаф содержит ответ на один из важнейших вопросов физики элементарных частиц». Gizmodo. 25 января 2020 года.
  5. ^ «Мюон Г-2 начинает второй запуск». Phys.org. 26 марта 2019.
  6. ^ Фарли, Фрэнсис (2004). «Темная сторона мюона». В Луис Альварес-Гауме (ред.). Бесконечно ЦЕРН: воспоминания о пятидесятилетних исследованиях, 1954-2004 гг.. Женева: Издания Сюзанны Хертер. С. 38–41. ISBN  978-2-940031-33-7. OCLC  606546795.
  7. ^ "Архив эксперимента Мюон Г-2". ЦЕРН архив. 2007. Получено 4 марта, 2020.
  8. ^ Чарпак, Жорж; Гарвин, Ричард Л; Фарли, Фрэнсис Дж. М.; Мюллер, Т. (1994). «Результаты эксперимента Г-2». В Cabibbo, N (ред.). Физика лептонов в ЦЕРНе и Фраскати. World Scientific. стр. 34–. ISBN  9789810220785.
  9. ^ Комбли, Ф; Фарли, F.J.M; Пикассо, Э (1981). «Эксперименты с мюоном (g-2) в ЦЕРНе». Отчеты по физике. 68 (2): 93–119. Дои:10.1016/0370-1573(81)90028-4. ISSN  0370-1573.
  10. ^ «Загадка мюона». Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН). Получено 19 июля 2018.
  11. ^ Коллаборация Muon g-2; Bennett, G.W .; Bousquet, B .; Brown, H.N .; Bunce, G .; Кэри, Р. М .; Cushman, P .; Дэнби, Г. Т .; Debevec, P.T .; Deile, M .; Дэн Х. (7 апреля 2006 г.). "Заключительный отчет об измерении аномального магнитного момента мюона E821 на BNL". Физический обзор D. 73 (7): 072003. Дои:10.1103 / PhysRevD.73.072003.
  12. ^ Фарли, Ф (2004). «47 лет мюона g − 2». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике. 52 (1): 1–83. Дои:10.1016 / j.ppnp.2003.09.004. ISSN  0146-6410.
  13. ^ Хольцбауэр, Дж. Л. (9 декабря 2016 г.). "Мюон грамм−2 Обзор эксперимента и статус по состоянию на июнь 2016 г. ". Труды 12-й Международной конференции по красоте, очарованию и гиперонам в адронных взаимодействиях (BEACH, 2016): Фэрфакс, Вирджиния, США, 12–18 июня 2016 г.. XII Международная конференция по красоте, очарованию и гиперонам в адронных взаимодействиях. J. Phys. Конф. Сер. 770. п. 012038. arXiv:1610.10069. Дои:10.1088/1742-6596/770/1/012038. Через inSPIRE
  14. ^ «Момент мюонного магнита настал» (Пресс-релиз). Фермилаб. 31 мая 2017 года.
  15. ^ Гон, В. (15 ноября 2016 г.). "Мюон грамм−2 эксперимента в Фермилабе ». 18-й Международный семинар по фабрикам нейтрино и поиску будущих нейтринных объектов (NuFact16) Куинён, Вьетнам, 21–27 августа 2016 г.. (Для мюона g'− 2 Сотрудничество). arXiv:1611.04964. Через inSPIRE
  16. ^ Hagiwara, K .; Мартин, А.; Номура, Дайсуке; Тойбнер, Т. (май 2007 г.). "Улучшенные прогнозы для грамм−2 мюона и αQED(M 2
    Z         )". Письма по физике B. 649 (2–3): 173–179. arXiv:hep-ph / 0611102. Bibcode:2007ФЛБ..649..173Х. CiteSeerX  10.1.1.346.6143. Дои:10.1016 / j.physletb.2007.04.012. S2CID  118565052.
  17. ^ "Эксперимент FNAL g − 2". Эксперимент с мюоном g − 2. UCL. Получено 30 апреля, 2017.
  18. ^ Герцог, Дэвид; Робертс, Ли (27 октября 2014 г.). «Накопитель мюона g − 2 начинает новую жизнь». ЦЕРН Курьер. Получено 26 апреля, 2017.
  19. ^ а б c Grange, J .; и другие. (Коллаборация Muon g − 2) (27 января 2015 г.). «Мюон (грамм−2) Отчет о техническом проектировании ». arXiv:1501.06858. Bibcode:2015arXiv150106858G. Отсутствует или пусто | url = (помощь) Через inSPIRE
  20. ^ Гон В. (15 ноября 2016 г.). "Сбор данных с помощью графических процессоров: DAQ для мюона грамм−2 Эксперимент в Фермилабе ». Труды 38-й Международной конференции по физике высоких энергий (ICHEP, 2016): Чикаго, Иллинойс, США, 3–10 августа 2016 г.. (Для коллаборации Muon g − 2). п. 174. arXiv:1611.04959. Bibcode:2016arXiv161104959G. Дои:10.22323/1.282.0174. Через inSPIRE
  21. ^ "Коллаборация мюонов g − 2". Эксперимент с мюоном g − 2. Фермилаб. Получено 26 апреля, 2017.

внешняя ссылка