Mion g-2

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search

A bot will complete this citation soon. Click here to jump the queue arXiv:[1].

Magnetni obroč – skladišče za g −2 v Fermilabu, ki je bil prvotno zasnovan za poizkus G-2 v Brookhavenu. Geometrija omogoča, da se v obroču vzpostavi zelo enakomerno magnetno polje.

Mion g−2 (izgovarja se "g manj 2") je eksperiment v fiziki delcev v Fermilabu, pri katerem se meri anomalni magnetni dipolni moment miona z natančnostjo 0,14 dnm[1] in katerega rezultat predstavlja občutljiv test standardnega modela. Lahko da bo rezultat zahteval obstoj povsem novih delcev, t.j. fizike onstran standardnega modela.[2]

Mion, tako kot njegov lažji sorodnik elektron, se vede kot magnetna vrtavka. Parameter z imenom "g-faktor" kaže, kako močan je magnet in kako hitro se vrti. Vrednost g je podobno kot pri elektronu nekoliko nad 2, od tod tudi ime poskusa. To razliko od 2 ("anomalni" del) povzročajo prispevki višjega reda iz kvantne teorije polja. Z visoko natančno meritvijo g −2 za mion želijo fiziki potrditi splošno veljaven standardni model - ali pa ga zavreči oziroma razširiti, če se bo izmerjeni g-2 statistično pomembno razlikoval od g-2 na osnovi teorije. Vsako znanstveno sprejemljivo odstopanje bi bilo razumeti kot dokaz za obstoj delcev izven standardnega modela.[3]

Tri obdobja zajemanja podatkov (tek-1, tek-2 in tek-3) so zaključena, tek-4 trenutno še poteka. Rezultate analize podatkov teka-1 (6 % doslej zajetih meritev) so objavili 7. aprila 2021.[4][5] Rezultat se signifikantno razlikuje od vrednosti na osnovi teorije (čeprav še ne na ravni 5σ) standardni model, zato bo morda treba posodobiti trenutno razumljeno fiziko.[6][7]

Zgodovina eksperimenta[uredi | uredi kodo]

Mion g−2 v CERN-u[uredi | uredi kodo]

Shrambeni obroč za poizkus mion g −2 v CERN-u.

S prvimi poskusi mion g −2 so se začeli v CERN-u leta 1959 na pobudo Leona Ledermana.[8][9] Skupina šestih fizikov je oblikovala prvi poskus s pomočjo sinkro-ciklotrona v CERN-u. Prvi rezultati, objavljeni leta 1961,[10] so signifikantno različni od teorije pri p <=2 %; druga serija meritev je p znižala na 0,4 %.

Drugi poskus se je začel leta 1966 z novo skupino, ki je tokrat, še vedno v CERN-u, delala s sinhrotronom za protone. Rezultati, 25-krat natančnejši, so ugotovili statistično pomembno neskladje med eksperimentalnimi in teoretičnimi vrednostmi, tako da je bilo treba ponovno preračunati teoretični model. Tretji poskus, ki se je začel leta 1969, je končne rezultate objavil leta 1979[11] in potrdil hipotezo, da gre za različni vrednosti, s signifikanco p= 0,0007 %. ZDA so nato eksperiment g −2 prevzele leta 1984.[12]

Mion g -2 v nacionalnem laboratoriju Brookhaven[uredi | uredi kodo]

Naslednja faza raziskav miona g- 2 je stekla v Narodnem laboratoriju v Brookhavenu na sinhrotronu z izmeničnim gradientom. Poskus je bil izveden podobno kot zadnji poskus v CERN-u, cilj pa je bil, natančnost izboljšati za faktor 20. Tehnično teče poizkus tako, da se mioni energije 3.094 GeV shranjujejo v magnetno polje, nato pa se merijo razlike v precesiji in vrtilni frekvenci mionov s pomočjo elektronov, ki nastanejo pri razpadu mionov. Napredek v natančnosti je bil ključno odvisen od veliko močnejšega žarka, kot je bil na voljo v CERN-u, in uporabe obroča za shranjevanje mionov. Predhodni poskusi v CERN-u so v skladiščeni obroč vbrizgavali pione, od katerih je v obroču le majhen del razpadel v mione. Poskus v Brookhavenu je zajemal podatke s pozitivnimi in negativnimi mioni med 1997 in 2001. Njegov končni rezultat, dobljen z združitvijo skladnih rezultatov podobne natančnosti za pozitivne in negativne mione, se je od teoretične vrednosti razlikoval pri 2,5 σ.[13]

Mion g−2 v Fermilabu[uredi | uredi kodo]

Poskus Brookhaven se je končal leta 2001, vendar je deset let kasneje Fermilab prevzel opremo, z namenom natančneje meriti in izboljšati statistiko in tako bodisi neskladje s teorijo odpraviti bodisi razliko potrditi kot eksperimentalen dokaz za fiziko, ki presega standardni model. Magnet so prenovili in zagnali septembra 2015 in pri tem potrdili, da ima isto enakomernost osnovnega magnetnega polja 1.3 dnm kot pred selitvijo. Oktobra 2016 je bil magnet znova obnovljen in znova uravnan, tako da se je celokupna enakomernost polja izboljšala za faktor 3.[14] Magnet je prejel prvi žarek mionov na novi lokaciji 31. maja 2017.[15] nakar je zbiranje podatkov teklo do konca leta 2020.

razlika med teoretično in izmerjeno vrednostjo g-2 za mion.

Rezultati 3. teka[uredi | uredi kodo]

7. aprila 2021 so objavili rezultate meritev v Fermilabu[16][17][18] Izmerjena vrednost za anomalijo magnetnega navora je:

Rezultat se v okviru natančnosti metode pokriva z rezultati iz Brookhavena in je od najnovejših teoretičnih raziskav signifikantno različen na ravni 3,3 σ. Doslej najboljša teoretično ugotovljena vrednost[19] znaša:
Teoretični magnetni navor in izmerjeni g se torej razlikujeta nekje na šestem decimalnem mestu. Če se podatki iz Brookhavena in Fermilaba združijo, je razlika signifikantna na ravni 4,2σ - verjetnost, da je razlika posledica naključja, je približno 1 na 40.000.[20] Čeprav pod 5 σ, zlatim standardom znanosti za nova odkritja, so rezultati razlog za nadaljnje delo, tako v teoriji kot eksperimentalno..

Teorija magnetnih navorov[uredi | uredi kodo]

G nabitih leptonov (elektrona, miona ali delca tau) je zelo blizu 2. Razlika do 2 ("anomalni" del) je odvisna od vrste leptona in jo je mogoče poljubno natančno izračunati na podlagi trenutnega standardnega modela. Meritve za elektron se s teoretično vrednostjo odlično ujemajo. V Brookhavenu so merili g-2 za mione, kar je zaradi kratke življenjske dobe delcev tehnično veliko teže; ugotovili so izzivajoče, vendar še ne dokončno, odstopanje na ravni 3.7 σ med izmerjeno vrednostjo in napovedjo standardnega modela (0.001 165 920 89 proti 0.001 165 9180).[21]

Meritev g−2 za elektron je najbolj natančno določena količina v fiziki. Pred kratkim je bila izmerjena z natančnostjo 3 delov na 1013, poleg tega so izračunali teoretično vrednost QED na osnovi 12.672 Feynmanovih diagramov (gl. na primer seminar Kljub tem neverjetnim eksperimentalnim in teoretičnim dosežkom pa je prispevek (m/M) 2 novih delcev zaznaven le pri majhnih vrednostih mase ( t.j. masa <100 MeV) in trenutno se izmerjene in predvidene vrednosti dobro ujemajo. Nasprotno pa je meritev g −2 za mion z maso, ki je 220-krat večja od mase elektrona, občutljiva za nove delce z masami med 10 MeV in 1000 GeV, tako da na zgornjem koncu zahaja na podobno območje mas kot pri poskusih LHC, vendar na precej drugačen način. Merjenje g−2 za mion lahko tudi sondira fiziko nizkih mas, ki je pod občutljivostjo LHC.[22]

Izvedba eksperimenta[uredi | uredi kodo]

Obroč g −2 na končnem cilju – pred eksperimentalno dvorano (MC1) pri Fermilabu – 30. julija 2014.

Osrednjega pomena za poskus je superprevodni magnet s premerom 15 m in z izjemno enakomernim magnetnim poljem. Poleti 2013 so ga v enem kosu prepeljali iz Brookhavena na Long Islandu, New York, do Fermilaba v Batavii, Illinois. Potovanje je trajalo 35 dni, prevoženih je bilo več kot 5000 km,[23] večinoma na ladji vzdolž vzhodne obale ZDA, okoli Floride in nato po Missisipiju. Začetna in zadnja etapa sta bili na posebnem tovornjaku ponoči po zaprtih avtocestah.

Vzorca kristalov PbF2 25 mm × 25 mm × 140 mm, skupaj s 16-kanalnim monolitnim Hamamatsu SiPM.

Detektorji[uredi | uredi kodo]

Magnetni navor meri 24 elektromagnetnih kalorimetrov, ki so enakomerno porazdeljeni na notranji strani shranjevalnega obroča. Kalorimetri merijo energijo in čas prihoda (in njihovo število) pozitronov iz razpada mionov, ki se vbrizgavajo v shranjevalni obroč. Mion razpade v dva nevtrina in pozitron z manj energije kot jo je imel prvotni delec. Magnetno polje pozitron usmeri navznoter, kjer naleti na segmentirani kalorimeter iz svinčevega fluorida s silicijevimi foto pomnoževalkami (SiPM).[24]

Sledilni detektorji zabeležijo pot pozitronov po razpadu miona v shranjevalnem obroču. Sledilnik lahko meri električni dipolni moment miona, ne pa tudi neposredno magnetni navor. Glavni namen sledilnika je izmeriti profil žarka mionov, pa tudi razločevati nakopičene dogodke (kar zmanjšuje sistematično negotovost pri merjenju kalorimetra).[24]

Prikazana je ena od 4 vrstic po 32 slamic. Slamica (dolžina 100 mm in premer 5 mm) deluje kot ionizacijska komora, napolnjena z Ar in etanom (1:1), s katodno žico v središču pod napetostjo +1,6 kV

Magnetno polje[uredi | uredi kodo]

Za merjenje magnetnega momenta z natančnostjo na ravni 1 na milijardo ppb je mora enakomernost magnetnega polja imeti enako natančnost. Eksperimentalni cilj g −2 je doseči stopnjo negotovosti na magnetni vrednosti do 70 ppb, povprečno po času in porazdelitvi mionov. Enakomerno magnetno polje moči 1.45 T v shranjevalnem obroču ustvarjajo superprevodni magneti, vrednost polja se aktivno zasleduje po celotnem obroču s sondo NMR na mobilnem vozičku (ki ne prekinja vakuuma). Sonda uporablja Larmorjevo frekvenco protona v sferičnem vzorcu vode za visoko natančnost za jakost magnetnega polja.[24]

Zbiranje podatkov[uredi | uredi kodo]

Bistvena komponenta eksperimenta je sistem za zajem podatkov (DAQ), ki nadzoruje pretok podatkov iz detektorske elektronike. Pogoj za poskus je zajem surovih podatkov s hitrostjo 18 GB/s. Za to se uporablja 24 vzporedno delujočih hitrih grafičnih procesorjev (NVIDIA Tesla K40), ki obdelujejo podatke iz 12-bitnih digitalizatorjev. Za nadzor skrbi programsko okolje MIDAS DAQ. Sistem DAQ obdeluje podatke iz 1296 kalorimetričnih kanalov, 3 postaj za sledenje slamic in iz pomožnih detektorjev (npr. števcev za mione na vhodu). Skupna količina izhodnih podatkov se ceni na 2 PB.[25]

Sodelovanje[uredi | uredi kodo]

V eksperimentu sodelujejo naslednje univerze, laboratoriji in podjetja: [26]

Reference[uredi | uredi kodo]

  1. "Muon g&minus Experiment". Muon g−2 Experiment (angleščina). Fermilab. Pridobljeno dne 2017-04-26.
  2. Gibney, Elizabeth (Apr 13, 2017). "Muons' big moment could fuel new physics". Nature (angleščina). 544 (7649): 145–146. Bibcode:2017Natur.544..145G. doi:10.1038/544145a. PMID 28406224.
  3. "Muon g−2 Collaboration to solve mystery". Muon g−2 Experiment (angleščina). Fermilab. Pridobljeno dne 2017-04-30.
  4. "First results from the Muon g-2 experiment at Fermilab". Fermilab. 2021-03-07.
  5. Albahri, T.; Anastasi, A.; Anisenkov, A.; Badgley, K.; Baeßler, S.; Bailey, I.; Baranov, V. A.; Barlas-Yucel, E.; Barrett, T. (2021-04-07). "Measurement of the anomalous precession frequency of the muon in the Fermilab Muon g-2 experiment". Physical Review D. Vol. 103 no. 7. str. 072002. doi:10.1103/PhysRevD.103.072002. ISSN 2470-0010.
  6. Overbye, Dennis (April 7, 2021). "Finding From Particle Research Could Break Known Laws of Physics - It's not the next Higgs boson — yet. But the best explanation, physicists say, involves forms of matter and energy not currently known to science". The New York Times. Pridobljeno dne April 7, 2021.
  7. Marc, Tracy (April 7, 2021). "First results from Fermilab's Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics". Fermilab. Pridobljeno dne April 7, 2021.
  8. Farley, Francis (2004). "The dark side of the muon". V Luis Álvarez-Gaumé (ur.). Infinitely CERN: Memories of fifty years of research, 1954-2004. Geneva, CH: Editions Suzanne Hurter. str. 38–41. ISBN 978-2-940031-33-7. OCLC 606546795.
  9. "Archives of Muon g− experiment". CERN Archive. 2007. Pridobljeno dne 4 March 2020.
  10. Charpak, Georges; Garwin, Richard L.; Farley, Francis J.M.; Müller, T. (1994). "Results of the g−2 experiment". V Cabibbo, N. (ur.). Lepton Physics at CERN and Frascati. World Scientific. str. 34 ff. ISBN 9789810220785.
  11. Combley, F.; Farley, F.J.M.; Picasso, E. (1981). "The CERN muon (g−2) experiments". Physics Reports. 68 (2): 93–119. doi:10.1016/0370-1573(81)90028-4. ISSN 0370-1573.
  12. "Enigma of the muon". European Organization for Nuclear Research (CERN). Pridobljeno dne 2018-07-19.
  13. 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. (2006-04-07). "Final report of the E821 muon anomalous magnetic moment measurement at BNL". Physical Review D. 73 (7): 072003. arXiv:hep-ex/0602035. Bibcode:2006PhRvD..73g2003B. doi:10.1103/PhysRevD.73.072003.
  14. Holzbauer, J. L. (Dec 9, 2016). The Muon g−2 Experiment Overview and Status as of June 2016. XIIth International Conference on Beauty, Charm, and Hyperons in Hadronic Interactions. str. 012038. arXiv:1610.10069. doi:10.1088/1742-6596/770/1/012038. Via inSPIRE
  15. "Muon Magnet's Moment Has arrived" (Sporočilo za javnost). Fermilab. May 31, 2017.
  16. Muon g−2 Collaboration; Abi, B.; Albahri, T.; Al-Kilani, S.; Allspach, D.; Alonzi, L. P.; Anastasi, A.; Anisenkov, A.; Azfar, F. (2021-04-07). "Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm". Physical Review Letters. Vol. 126 no. 14. str. 141801. doi:10.1103/PhysRevLett.126.141801.
  17. Albahri, T.; Anastasi, A.; Badgley, K.; Baeßler, S.; Bailey, I.; Baranov, V. A.; Barlas-Yucel, E.; Barrett, T.; Bedeschi, F. (2021-04-07). "Magnetic Field Measurement and Analysis for the Muon g-2 Experiment at Fermilab". arXiv:2104.03201 [hep-ex, physics:nucl-ex]. doi:10.1103/PhysRevA.103.042208.
  18. Albahri, T.; Anastasi, A.; Badgley, K.; Baeßler, S.; Bailey, I.; Baranov, V. A.; Barlas-Yucel, E.; Barrett, T.; Bedeschi, F. (2021-04-07). "Beam dynamics corrections to the Run-1 measurement of the muon anomalous magnetic moment at Fermilab". arXiv:2104.03240 [hep-ex, physics:physics].
  19. Passera, Massimo (6. novembra 2020). "The muon g-2 <> Delta alpha connection" (PDF). MPI für Kernphysik Heidelberg. Pridobljeno dne 12. aprila 2021.
  20. Fermilab (Apr. 7 2021) First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics
  21. "Physicists publish worldwide consensus of muon magnetic moment calculation". Fermilab. 2020-06-11.
  22. "FNAL g−2 Experiment". Muon g−2 Experiment. UCL. Pridobljeno dne 2017-04-30.
  23. Hertzog, David; Roberts, Lee (Oct 27, 2014). "Muon g−2 storage ring starts a new life". CERN Courier (angleščina). Pridobljeno dne 2017-04-26.
  24. 24,0 24,1 24,2 Grange, J.; et al. (Jan 27, 2015). "Muon (g−2) Technical Design Report". arXiv:1501.06858. Bibcode:2015arXiv150106858G. Navedi journal zahteva |journal= (pomoč) Via inSPIRE
  25. Gohn, W. (Nov 15, 2016). Data Acquisition with GPUs: The DAQ for the Muon g−2 Experiment at Fermilab. (For Muon g−2 Collaboration). str. 174. arXiv:1611.04959. Bibcode:2016arXiv161104959G. doi:10.22323/1.282.0174. Via inSPIRE
  26. "Muon g−2 Collaboration". Muon g−2 Experiment (angleščina). Fermilab. Pridobljeno dne 2017-04-26.

Zunanje povezave[uredi | uredi kodo]