科學家致力于闡明粒子物理學的標準模型

當科學家們等待著美國能源部(DOE)費米國家加速器實驗室對Muon g-2實驗的高度期望的初步結果時，來自能源部阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的合作科學家繼續使用和維護這種獨特的系統，該系統可以繪制出實驗達到前所未有的精度。

阿貢大學的科學家升級了測量系統使用了先進的通信方案以及新的磁場探頭和電子設備，可以在進行實驗的整個45米圓周環上繪制出磁場圖。

該實驗始于2017年，如今一直持續到今天，這可能對粒子物理學領域產生重大影響。作為美國能源部布魯克黑文國家實驗室過去實驗的后續行動，它有權確認或否認先前的結果，這可能有助于闡明現行的粒子物理學標準模型各部分的有效性。

實驗中重要部分的高精度測量對于產生有意義的結果至關重要。感興趣的主要數量是μ子的g因子，它是表征粒子的磁性和量子力學屬性的特性。

標準模型非常精確地預測了μ子的g因子值。阿爾貢大學高能物理(HEP)部門的博士后任命西蒙·科羅迪(Simon Corrodi)表示：“由于該理論清楚地預測了這一數字，因此通過實驗測試g因子是檢驗該理論的有效方法。” “布魯克海文的測量結果與理論預測值之間存在較大偏差，如果我們確認這一差異，將表明存在未發現的顆粒。”

就像地球的自轉軸進動-意味著兩極逐漸行進一樣-介子的自旋(角動量的量子形式)在存在磁場的情況下進動。介子周圍的磁場強度會影響其自旋進動的速率。科學家可以通過測量自旋進動速率和磁場強度來確定μ子的g因子。

這些初始測量值越精確，最終結果就越有說服力。科學家們正在努力實現精確到十億分之70的現場測量。這種精確度使g因子的最終計算精確到Brookhaven實驗結果的四倍。如果實驗測量值與預期的標準模型值明顯不同，則可能表明存在未知粒子，這些粒子的存在會干擾介子周圍的局部磁場。

乘坐電車

數據收集期間，磁場使一束μ子圍繞一個大的空心環行進。為了以高分辨率和高精度繪制整個環的磁場強度，科學家設計了一種手推車系統來驅動圍繞環的測量探針并收集數據。

海德堡大學為Brookhaven實驗開發了手推車系統，Argonne科學家翻新了設備并更換了電子設備。除了在環中安裝了378個探頭以不斷監視場漂移之外，手推車還裝有17個探頭，可以以更高的分辨率定期測量場。

“每三天，手推車就會在兩個方向上繞環行，每個探頭和每個方向進行大約9,000次測量，” Corrodi說。“然后，我們進行測量以構建磁場的切片，然后構建完整的3D環圖。”

科學家們從一個新的條形碼讀取器中了解了手推車在環中的確切位置，該條形碼讀取器在環的底部移動時記錄了環底部的標記。

該環充滿真空以促進μ子的受控衰減。為了保持環內的真空，連接到環上的車庫和真空存儲兩次測量之間的手推車。使手推車裝進環中的過程自動化可以降低科學家通過與系統交互而損害真空和磁場的風險。他們還最小化了手推車電子設備的功耗，以限制引入系統的熱量，否則會破壞現場測量的精度。