No início deste mês, o experimento Muon g-2 ("g menos dois") no Fermilab começou sua segunda corrida para procurar partículas e forças ocultas.

Nos próximos três meses, os cientistas esperam acumular o dobro da quantidade de dados coletados na corrida 1 e fazer a medição mais precisa do momento magnético anômalo do múon, frequentemente expressa como a quantidade g-2.

A corrida 2 apresenta várias melhorias que os cientistas fizeram no experimento nos últimos oito meses.

"Queremos ter um ambiente mais estável no qual coletamos os dados, porque no primeiro período de coleta de dados, estávamos tentando fazer as coisas funcionarem e avaliando como elas estavam funcionando, "disse Mark Lancaster, o co-porta-voz do experimento e professor de física na University of Manchester e University College London. "Agora estamos tentando mudar para um modo em que as coisas sejam muito mais estáveis, e podemos correr por um período de tempo razoável sem quaisquer intervenções. "

Muons são partículas elementares semelhantes a, mas muito mais pesado do que, elétrons. O momento magnético de um múon - uma característica relacionada à orientação e força de seu ímã interno - muda conforme ele gira, um efeito chamado precessão. Lancaster e seus colegas estão medindo a frequência de precessão do momento magnético com muita precisão e comparando o resultado com o que os teóricos prevêem. Ao fazer isso, eles esperam confirmar, ou mesmo revisar, o modelo padrão da física de partículas.

"À medida que viaja pelo universo, uma partícula nunca está estritamente sozinha, "disse Chris Polly do Fermilab, o outro co-porta-voz do experimento. "Há constantemente uma comitiva de outras partículas que aparecem do vácuo. Elas vêm do nada, e eles desaparecem com a mesma rapidez com que surgiram. "

Essas partículas alteram ligeiramente o momento magnético do múon. Calculando com que frequência eles irão entrar e sair do vácuo e interagir com o múon, os cientistas podem prever o impacto de todas as partículas conhecidas no momento magnético com uma precisão muito alta. A comparação desta previsão com o valor obtido experimentalmente dirá aos cientistas se há mais, partículas não descobertas ou forças que alteram o momento magnético.

Em repouso, múons decaem em apenas dois milionésimos de segundo. Essa decadência produz dois neutrinos e um pósitron, que é um elétron carregado positivamente.

"A maior parte dos nossos dados vem da observação de energias e tempos de pósitrons de decadência que vieram dos múons, "disse Brendan Kiburg, um físico de partículas do Fermilab envolvido no experimento.

Conseguir esses dados requer um sistema muito uniforme, campo magnético medido com precisão.

"É extremamente importante que saibamos o campo magnético que os múons estão experimentando, "Kiburg disse." Como a nova física que procuramos está embutida na frequência de precessão, você precisa ter certeza de que os múons não veem um campo magnético diferente daquele que estamos medindo. "

Ajustando o anel

O ímã do anel de armazenamento do experimento chegou ao Fermilab de sua casa original no Laboratório Nacional de Brookhaven em 2013. Após anos de construção e ajustes, os operadores ajustaram o feixe e engajaram-se na Execução 1, uma produção de três meses em 2018.

"Por causa dessa corrida de produção, pudemos aprender sobre algumas deficiências que realmente precisávamos corrigir, "Polly disse.

Existem várias áreas em que a equipe se concentrou durante o verão. O primeiro era um sistema de ímãs quadrupolo que focalizava os múons e os impedia de espiralar para cima ou para baixo.

"Descobrimos durante o desligamento que precisávamos melhorar a confiabilidade da operação dos quadrupolos, especialmente nas tensões mais altas que gostaríamos de alcançar na próxima execução, "Polly disse.

Outro problema envolvia um dispositivo chamado kicker eletromagnético. Ele muda a órbita dos múons levemente para mantê-los em um caminho que permanece dentro do anel.

"O kicker é provavelmente o componente mais importante do experimento além do próprio anel, "Kiburg disse.

Sem o kicker, os múons se comportam como um piloto de Fórmula 1 cujo carro de corrida está no ângulo errado, enviando-os cambaleando contra a parede na primeira volta. Para evitar isso, o kicker muda o ângulo dos múons conforme eles passam pelo portão do anel.

"Um dos problemas com o chutador em Brookhaven era que ele era muito lento, "Polly disse." Em vez de dar um chute nos múons na primeira volta e desligar, o pulso do chutador continuou por duas ou três revoluções ao redor do anel. Isso foi menos do que ideal, então projetamos um kicker para este experimento que poderia subir e descer em uma única volta. "

Embora o chute implantado durante a corrida 1 no Fermilab tenha sido três vezes mais rápido, não era forte o suficiente para empurrar os múons para a órbita perfeita ao redor do anel. Durante o desligamento, a equipe atualizou o anel para acomodar um chutador mais poderoso.

O terceiro problema era o controle de temperatura no prédio Muon g-2. O anel de armazenamento magnético é extremamente sensível à temperatura - tanto que uma mudança de mais de um único grau Celsius pode fazer com que ele se expanda ou contraia, degradando o campo magnético. Durante a execução da corrida 1 durante os meses mais quentes de verão, manter a temperatura da instalação foi um desafio. Melhorias nos sistemas de aquecimento e resfriamento da instalação devem consertar isso, Polly disse.

Uma montanha de dados

A equipe recentemente começou a trazer o feixe para o anel de armazenamento e testar se as atualizações funcionaram conforme planejado. Um dos principais objetivos da Execução 2 é medir o momento magnético com muita precisão, a 70 partes por bilhão. Para obter esse tipo de precisão, o campo magnético deve ser altamente uniforme.

"Conseguimos ajustar o campo magnético para que ficasse duas a três vezes mais uniforme, "Polly disse." Então, embora estejamos usando o mesmo contêiner, na verdade, nós o transformamos em um recipiente muito melhor em termos de compreensão desse campo magnético. "

A equipe também teve que aumentar o fluxo de múon do experimento, o número de múons por segundo necessários para atingir a precisão estatística necessária. Na corrida 1, eles alcançaram cerca de metade de seu objetivo. Espera-se que um bando de atualizações concluídas durante o verão aumente o fluxo para cerca de 75 por cento da meta. Uma atualização final que a equipe está considerando para o próximo verão iria conseguir o fluxo do resto do caminho, Polly disse.

Um desafio futuro é o grande volume de dados. A execução 2 visa reduzir a incerteza no resultado do experimento Brookhaven Muon g-2 por um fator de quatro, o que requer 16 vezes as estatísticas. São muitos dados.

"Nosso objetivo é processar os dados conforme eles chegam, "Lancaster disse." Estamos usando computação distribuída para tudo, então processamos tudo na grade. Parte do que estamos tentando fazer é torná-lo mais robusto e confiável. "

E robustez e confiabilidade exigem rigor.

"É por isso que você passa por todo o processo de design com tanto cuidado, "Kiburg disse." É para que você possa chegar a um ponto em que você está transformando isso em um resultado de física, e estamos na porta lá, então este é um momento divertido. "