Muon g -2 (pronunciado "gee menos dos") es un experimento de física de partículas en Fermilab para medir el momento dipolar magnético anómalo de un muón con una precisión de 0.14 ppm , [1] que será una prueba sensible del Modelo Estándar . También podría proporcionar evidencia de la existencia de partículas completamente nuevas. [2]
El muón, como su hermano más ligero, el electrón, actúa como un imán giratorio. El parámetro conocido como " factor g " indica qué tan fuerte es el imán y la velocidad de su giro . El valor de g es ligeramente mayor que 2, de ahí el nombre del experimento. Esta diferencia de 2 (la parte "anómala") es causada por contribuciones de orden superior de la teoría cuántica de campos . Al medir g −2 con alta precisión y comparar su valor con la predicción teórica, los físicos descubrirán si el experimento concuerda con la teoría. Cualquier desviación señalaría partículas subatómicas aún no descubiertas que existen en la naturaleza. [3]
Se han completado los tres períodos de toma de datos (Ejecución-1, Ejecución-2 y Ejecución-3), y la Ejecución-4 está actualmente en curso. Los resultados del análisis de los datos de Run-1 se anunciaron y publicaron el 7 de abril de 2021. [4] [5] Los físicos informaron que los resultados de estudios recientes que involucran la partícula desafiaron el Modelo Estándar y, en consecuencia, pueden requerir una actualización. de la física entendida actualmente. [6] [7]
Cronología
Muon g −2 en el CERN
Los primeros experimentos con muon g −2 comenzaron en el CERN en 1959 por iniciativa de Leon Lederman . [8] [9] Un grupo de seis físicos formó el primer experimento, utilizando el Synchrocyclotron en el CERN. Los primeros resultados se publicaron en 1961, [10] con una precisión del 2% con respecto al valor teórico, y luego los segundos con esta vez una precisión del 0,4%, validando así la teoría de la electrodinámica cuántica.
Un segundo experimento comenzó en 1966 con un nuevo grupo, esta vez trabajando con el Proton-Synchrotron, todavía en el CERN. Los resultados fueron entonces 25 veces más precisos que los anteriores y mostraron una discrepancia cuantitativa entre los valores experimentales y los teóricos, por lo que obligaron a los físicos a recalcular su modelo teórico. El tercer experimento, que comenzó en 1969, publicó sus resultados finales en 1979, [11] confirmando la teoría con una precisión del 0,0007%. Estados Unidos asumió el control del experimento g -2 en 1984. [12]
Muon g −2 en el Laboratorio Nacional de Brookhaven
La siguiente etapa de la investigación del muón g- 2 se llevó a cabo en el Sincrotrón de gradiente alterno del Laboratorio Nacional de Brookhaven . El experimento se realizó de manera similar al último de los experimentos del CERN con el objetivo de tener una precisión 20 veces mayor. La técnica implicó almacenar 3.094 GeV muones en un campo magnético medido uniformemente y observar la diferencia de la precesión del espín del muón y la frecuencia de rotación mediante la detección de los electrones de desintegración del muón. El avance en la precisión se basó fundamentalmente en un haz mucho más intenso que el disponible en el CERN y en la inyección de muones en el anillo de almacenamiento, mientras que los experimentos anteriores del CERN habían inyectado piones en el anillo de almacenamiento, de los cuales solo una pequeña fracción se descompone en muones que se almacenan. El experimento usó un campo magnético mucho más uniforme usando un imán de anillo de almacenamiento superférrico superconductor, un imán inflector superconductor pasivo, impulsores rápidos de muones para desviar los muones inyectados hacia las órbitas almacenadas, un carro de RMN de tubo de haz que podría mapear el campo magnético en la región de almacenamiento y muchos otros avances experimentales. El experimento tomó datos con muones positivos y negativos entre 1997 y 2001. Su resultado final es µ = (g − 2) / 2 = 11659208.0 (5.4) (3.3) × 10 −10 obtenido por combinación de resultados consistentes con precisión similar de muones positivos y negativos. [13]
Muon g −2 en Fermilab
Fermilab continúa el experimento realizado en el Laboratorio Nacional de Brookhaven [14] para medir el momento dipolar magnético anómalo del muón . El experimento de Brookhaven terminó en 2001, pero diez años después, Fermilab adquirió el equipo y está trabajando para realizar una medición más precisa ( σ más pequeña ) que eliminará la discrepancia o la confirmará como un ejemplo de física observable experimentalmente más allá del Modelo Estándar .
El imán se restauró y se encendió en septiembre de 2015, y se ha confirmado que tiene la misma uniformidad de campo magnético básico de 1,3 ppm que tenía antes del traslado.
En octubre de 2016, el imán se reconstruyó y se calzó cuidadosamente para producir un campo magnético altamente uniforme. Los nuevos esfuerzos en Fermilab han dado como resultado una uniformidad general mejorada tres veces, lo cual es importante para la nueva medición en su objetivo de mayor precisión. [15]
En abril de 2017, la colaboración estaba preparando el experimento para el primer ciclo de producción con protones, para calibrar sistemas detectores. El imán recibió su primer haz de muones en su nueva ubicación el 31 de mayo de 2017. [16] Se planeó que la toma de datos se realizara hasta 2020. [17]
El 7 de abril de 2021 se publicaron los resultados del experimento: a µ = 116592040 (54) × 10 −11 . Los nuevos resultados experimentales promedio mundial anunciados por la colaboración Muon g-2 son: factor g: 2.00233184122 (82), momento magnético anómalo: 0.00116592061 (41). Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con la teoría con un significado de 4,2 sigma, ligeramente por debajo de los 5 sigma (o desviaciones estándar) que los científicos requieren para reclamar un descubrimiento, pero aún evidencia convincente de nueva física. La probabilidad de que una fluctuación estadística produzca resultados igualmente sorprendentes es de aproximadamente 1 en 40.000. [18]
Teoría de los momentos magnéticos
La g de un leptón cargado ( electrón , muón o tau ) es casi 2. La diferencia de 2 (la parte "anómala") depende del leptón y se puede calcular con bastante precisión basándose en el modelo estándar actual de física de partículas . Las medidas del electrón están en excelente acuerdo con este cálculo. El experimento de Brookhaven hizo esta medición para los muones, una medición mucho más difícil técnicamente debido a su corta vida útil, y detectó una discrepancia tentadora, pero no definitiva, de 3,7 σ entre el valor medido y la predicción del modelo estándar (0.001 165 920 89 frente0,001 165 9180 ). [19]
Diseño
El elemento central del experimento es un imán superconductor de 50 pies (15 m) de diámetro con un campo magnético excepcionalmente uniforme. Esto fue transportado, en una sola pieza, desde Brookhaven en Long Island , Nueva York, a Fermilab en el verano de 2013. El movimiento atravesó 3.200 millas durante 35 días, [20] principalmente en una barcaza por la costa este y a través de Mobile, Alabama. , hasta la vía fluvial Tennessee-Tombigbee y luego brevemente en el Mississippi . Las etapas iniciales y finales fueron en un camión especial que viajaba por carreteras cerradas por la noche.
Detectores
La medición del momento magnético se realiza mediante 24 detectores calorimétricos electromagnéticos , que se distribuyen uniformemente en el interior del anillo de almacenamiento. Los calorímetros miden la energía y el tiempo de llegada (en relación con el tiempo de inyección) de los positrones de desintegración (y su recuento) de la desintegración de muones en el anillo de almacenamiento. Después de que un muón se desintegra en un positrón y dos neutrinos, el positrón termina con menos energía que el muón original. Por lo tanto, el campo magnético enrosca hacia adentro, donde se realiza un segmentada de plomo (II) de fluoruro calorímetro leído por silicio fotomultiplicadores (SiPM). [21]
Los detectores de rastreo registran la trayectoria de los positrones de la desintegración del muón en el anillo de almacenamiento. El rastreador puede proporcionar una medición del momento dipolar eléctrico de muones , pero no directamente la medición del momento magnético. El objetivo principal del rastreador es medir el perfil del haz de muones, así como la resolución de la acumulación de eventos (para reducir la incertidumbre sistemática en la medición del calorímetro). [21]
Campo magnético
Para medir el momento magnético con un nivel de precisión de ppb , se requiere que un campo magnético promedio uniforme tenga el mismo nivel de precisión. El objetivo experimental de g −2 es lograr un nivel de incertidumbre en el magnético de 70 ppb promediado a lo largo del tiempo y la distribución de muones. Un campo uniforme deSe crea 1,45 T en el anillo de almacenamiento utilizando imanes superconductores, y el valor de campo se mapeará activamente en todo el anillo utilizando una sonda de RMN en un carro móvil (sin romper el vacío). La calibración del carro se hace referencia a la frecuencia de Larmor de un protón en una muestra de agua esférica a una temperatura de referencia (34,7 ° C) y se calibra en forma cruzada con un magnetómetro de helio-3 novedoso. [21]
Adquisición de datos
Un componente esencial del experimento es el sistema de adquisición de datos (DAQ), que gestiona el flujo de datos desde la electrónica del detector. El requisito para el experimento es adquirir datos sin procesar a una velocidad de 18 GB / s. Esto se logra empleando una arquitectura de procesamiento de datos en paralelo que utiliza 24 GPU de alta velocidad (NVIDIA Tesla K40) para procesar datos de digitalizadores de forma de onda de 12 bits. La configuración está controlada por el marco de software MIDAS DAQ. El sistema DAQ procesa datos de 1296 canales calorimétricos, tres estaciones de seguimiento de pajitas y detectores auxiliares (por ejemplo, contadores de muones de entrada). La producción total de datos del experimento se estima en 2 PB. [22]
Colaboración
Las siguientes universidades, laboratorios y empresas participan en el experimento: [23]
Universidades
- Universidad de Boston
- Universidad de Cornell
- Universidad Johannes Gutenberg Mainz
- Universidad de Chicago
- Universidad de Illinois en Urbana-Champaign
- Universidad James Madison
- Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea ( KAIST )
- Universidad de Kentucky
- Universidad de Liverpool
- Universidad de Lancaster
- University College de Londres
- Universidad de Manchester
- Universidad de massachusetts
- Universidad del estado de michigan
- Universidad de Michigan
- Universidad de Mississippi
- Università del Molise
- Università degli Studi di Napoli Federico II
- North Central College
- Universidad del norte de Illinois
- Universidad Regis
- Universidad Jiao Tong de Shanghai
- Technische Universitat Dresden
- Università di Udine
- Universidad de Virginia
- Universidad de Washington
Laboratorios
- Laboratorio Nacional Argonne
- Laboratorio Nacional Brookhaven
- Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi
- Instituto Budker de Física Nuclear
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Instituto Conjunto de Investigaciones Nucleares, Dubna
- Laboratori Nazionali di Frascati
- INFN, Sezione di Napoli
- INFN, Sezione di Pisa
- Instituto de Ciencias Básicas , Corea del Sur
Referencias
- ^ " Experimento Muon g -2" . Experimento Muon g − 2 . Fermilab . Consultado el 26 de abril de 2017 .
- ^ Gibney, Elizabeth (13 de abril de 2017). "El gran momento de los muones podría alimentar una nueva física". Naturaleza . 544 (7649): 145-146. Código Bib : 2017Natur.544..145G . doi : 10.1038 / 544145a . PMID 28406224 . S2CID 4400589 .
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( ayuda ) Vía inSPIRE - ^ Gohn, W. (15 de noviembre de 2016). "Adquisición de datos con GPU: el DAQ para el experimento Muon g -2 en Fermilab". Actas, 38a Conferencia Internacional sobre Física de Altas Energías (ICHEP 2016): Chicago, Illinois, EE. UU., 3 al 10 de agosto de 2016 . (Para la colaboración Muon g − 2). pag. 174. arXiv : 1611.04959 . Código bibliográfico : 2016arXiv161104959G . doi : 10.22323 / 1.282.0174 . Vía inSPIRE
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enlaces externos
- "Página web pública oficial g- 2" . Batavia, Illinois : Fermilab .