Muons são misteriosos, e os cientistas estão mergulhando fundo na partícula para entender uma propriedade que pode torná-la - e ao universo - um pouco menos misteriosa.

Como os elétrons - irmãos mais leves dos múons - eles são partículas com uma espécie de ímã interno natural. Eles também têm um momento angular chamado spin, como um pião. A combinação do spin e do ímã interno de uma partícula é chamada de razão giromagnética, apelidado de "g, "mas tentativas anteriores de medi-lo para múons geraram surpresas intrigantes.

O objetivo do experimento Muon g-2 no Fermilab é medi-lo com mais precisão do que nunca.

Para alcançar esses níveis notáveis ​​de precisão, os cientistas têm que manter guias muito cuidadosos em algumas partes do experimento, uma delas é a força de seu campo magnético. A equipe vem medindo e ajustando o campo magnético há meses e agora está muito perto de alcançar um campo estável antes que os experimentos possam começar adequadamente.

"Estamos no período de comissionamento do experimento agora, onde estamos basicamente aprendendo como nossos sistemas se comportam e garantindo que tudo funcione corretamente antes de fazermos a transição para uma execução estável, "disse David Flay, um cientista da Universidade de Massachusetts trabalhando na calibração do campo magnético do Muon g-2.

Mistério de muon

Muon g-2 está acompanhando um resultado intrigante visto no Laboratório Nacional de Brookhaven, em Nova York, no início de 2000, quando o experimento fez observações de múons que não correspondiam às previsões teóricas. O ímã circular do experimento com 15 metros de diâmetro, chamado de anel de armazenamento, foi enviado para Illinois por terra e mar em 2013, e a medição agora está sendo conduzida no Fermilab com precisão quatro vezes maior.

Quando Brookhaven realizou o experimento, o resultado foi surpreendente:o valor múon de g diferiu significativamente do que os cálculos disseram que deveria ser, e ninguém sabe ao certo por quê. É possível que o próprio experimento tenha falhado e o resultado seja falso, mas também abre a porta para a possibilidade de novas partículas e teorias exóticas. Com seu aumento de quatro vezes na precisão, Muon g-2 vai lançar mais luz sobre a situação.

Para medir g, feixes de múons que circulam dentro do anel de armazenamento do experimento são submetidos a um intenso campo magnético - cerca de 30, 000 vezes a força do campo natural da Terra. Isso faz com que os múons girem em torno do campo magnético, ou precess, de uma maneira particular. Ao medir essa precessão, é possível extrair com precisão o valor de g.

A força do campo magnético ao qual os múons são expostos afeta diretamente como eles precessam, portanto, é absolutamente crucial fazer medições extremamente precisas da intensidade do campo e manter sua uniformidade em todo o anel - o que não é uma tarefa fácil.

Se Muon g-2 apoiar o resultado de Brookhaven, seria uma grande notícia. O Modelo Padrão precisaria ser repensado e abriria um novo capítulo da física de partículas.

Uma das principais teorias para explicar os resultados intrigantes são os novos tipos de partículas virtuais, fenômenos quânticos que entram e saem da existência, mesmo em um vácuo vazio. Todas as partículas conhecidas fazem isso, mas seu efeito total não explica exatamente os resultados de Brookhaven. Os cientistas estão, portanto, prevendo um ou mais novos, tipos desconhecidos, cuja presença efêmera adicional poderia estar fornecendo as observações estranhas de múons.

"O maior desafio até agora tem sido lidar com o inesperado, "disse Joe Grange, cientista do Laboratório Nacional de Argonne trabalhando no campo magnético do Muon g-2. "Quando surge um mistério que precisa ser resolvido de forma relativamente rápida, as coisas podem ficar agitadas. Mas também é uma das partes mais divertidas do nosso trabalho. "

Sondando o campo

As medições de força do campo magnético são feitas usando pequenas, dispositivos eletrônicos sensíveis chamados sondas. Três tipos de sondas - fixas, carrinho e mergulho - trabalham juntos para construir um mapa 3-D do campo magnético dentro do experimento. O campo pode flutuar com o tempo, e coisas como mudanças de temperatura no prédio do experimento podem afetar sutilmente a forma do anel, portanto, cerca de 400 sondas fixas são posicionadas logo acima e abaixo do anel de armazenamento para manter um olho constante no campo interno. Como essas sondas estão sempre observando, os cientistas sabem quando e por quanto ajustar o campo para mantê-lo uniforme.

Para essas medições, e a cada poucos dias, quando os experimentos são pausados ​​e o feixe de múon é interrompido, um comprimento de 0,5 metro, um carrinho cilíndrico curvo sobre trilhos contendo 17 sondas é enviado ao redor do anel para obter um mapa de campo preciso na região onde os múons são armazenados. Cada órbita leva algumas horas. As sondas do trole são calibradas por uma sonda de mergulho, que pode entrar e sair de sua própria câmara em um local específico no anel quando necessário.

As sondas fixas foram instaladas e funcionando desde o outono de 2016, enquanto as 17 sondas do carrinho foram removidas recentemente, atualizado e reinstalado.

"As sondas estão dentro do anel, onde não podemos vê-las, "Flay disse." Portanto, combinar suas posições para obter uma calibração precisa entre eles não é uma coisa fácil de fazer.

A equipe desenvolveu algumas soluções inovadoras para resolver este problema, incluindo um sistema de código de barras dentro do anel, que o carrinho faz a varredura para retransmitir onde está enquanto se move.

Global g-2

Muon g-2 é uma colaboração internacional patrocinada pelo Fermilab. Junto com cientistas do Fermilab, Argonne, e Brookhaven, várias universidades nos EUA trabalham com colaboradores internacionais de países tão abrangentes como a Coreia do Sul, Itália e Reino Unido. No total, cerca de 30 instituições e 150 pessoas trabalham no experimento.

"São os esforços detalhados do Argonne, Universidade de Washington, As equipes da Universidade de Massachusetts e da Universidade de Michigan que produziram esses ferramentas de qualidade que nos dão uma imagem completa do campo magnético, "disse Brendan Kiburg, Cientista do Fermilab trabalhando no Muon g-2. "Foram necessários anos de trabalho meticuloso."

A equipe está trabalhando para concluir a parte principal de medição de força de campo do processo de comissionamento até o início de 2018, antes de continuar a analisar exatamente como os múons experimentam o campo gerado. O experimento está planejado para começar totalmente em fevereiro de 2018.