Um fator limitante em experimentos de física moderna é a precisão com que os cientistas podem medir valores importantes, como o campo magnético dentro de um detector. Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e seus colaboradores desenvolveram uma instalação exclusiva para calibrar dispositivos de medição de campo e testar seus limites dentro de campos magnéticos poderosos.

A instalação possui um ímã solenóide de um antigo scanner de ressonância magnética (MRI) originalmente instalado em um hospital de São Francisco. O ímã produz um campo máximo de 4 Tesla - mais de 400 vezes a força de um ímã de geladeira. Sua grande abertura, originalmente destinado a segurar um paciente durante uma varredura de ressonância magnética, dá aos cientistas amplo espaço para posicionar dispositivos e máquinas dentro do campo magnético. O campo produzido pelo ímã também é excepcionalmente uniforme e estável, um requisito para calibrar dispositivos de medição com a precisão ultra-alta necessária para muitos experimentos de partículas e física nuclear.

“Trabalhamos com vários pesquisadores, em Argonne e de outras instituições, que precisam de um campo magnético forte e de um grande furo para testar suas pesquisas, "disse Peter Winter, físico e líder de grupo na divisão de Física de Altas Energias de Argonne. "Os cientistas trazem seus dispositivos e eletrônicos, e nós fornecemos nosso ímã, expertise e infraestrutura para ajudar a automatizar os processos e garantir o sucesso dos testes. "

A equipe está buscando novos usuários para continuar a ampliar o portfólio de aplicativos da instalação.

Estação de calibração

Uma das principais aplicações do recurso de teste de solenóide da Argonne é a calibração e calibração cruzada de sondas de medição para obter alta precisão e adicionar camadas de consistência entre experimentos semelhantes em todo o mundo.

Originalmente, Os cientistas da Argonne adquiriram o ímã para testar e calibrar várias sondas desenvolvidas pela Universidade de Massachusetts para medir o campo magnético no experimento Muon g menos 2 (Muon g-2) atualmente em andamento no Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) do DOE. A instalação de teste permitiu que os cientistas obtivessem medições de campo precisas até várias partes por bilhão - como medir a circunferência da Terra em cerca de cinco centímetros.

A medição precisa do campo no experimento é crucial porque a força do campo magnético é um jogador importante na determinação final de g, uma propriedade do múon cuja determinação confirmará as teorias atuais da física de partículas ou apontará para a existência de partículas não descobertas.

"Esta instalação permitiu que a equipe de campo magnético do Muon g-2 atendesse aos objetivos estritos do experimento, reduzindo as incertezas e melhorando a robustez de nossas medições, "disse David Kawall, um físico e professor da Universidade de Massachusetts. "Para o melhor do meu conhecimento, não existem instalações semelhantes no mundo, e ter acesso a essas ferramentas em Argonne foi essencial para o sucesso do esforço do campo magnético no Muon g-2. "

Futuros experimentos com g-2 serão conduzidos no Japão, no Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) da High Energy Accelerator Research Organization (KEK). Os colaboradores japoneses, liderado por Ken-ichi Sasaki, estão usando a facilidade para fazer a calibração cruzada de suas sondas de campo magnético com as usadas no Fermilab.

"Ao garantir que todas as nossas sondas leiam os mesmos valores no mesmo campo magnético, estamos adicionando certeza às medições provenientes de ambos os experimentos g-2, "disse Sasaki, que é professor da KEK e líder da subseção da seção criogênica do J-PARC.

Outro experimento com múon, o experimento de espectroscopia de muônio usando microondas (MuSEUM), irá contribuir para o experimento g-2 japonês medindo com precisão a razão de massa do múon para o elétron, um valor também incluído na determinação de g-2.

O experimento em KEK no Japão usa sondas de calibração de ressonância magnética nuclear (NMR) muito semelhantes ao experimento g-2. O desenvolvimento da sonda para MuSEUM foi liderado por Toya Tanaka, um estudante de graduação da Universidade de Tóquio que usa a instalação de solenóide para calibrar as sondas do experimento. A colaboração entre cientistas do Japão e dos Estados Unidos garantirá que os experimentos g-2 e o experimento MuSEUM tenham uma medição de campo consistente.

Desenvolvimento de sonda de hélio e Hall

Por meio de uma parceria com Thomas Strauss, do Fermilab, outro grupo japonês, liderado por Norihito Ohuchi e Yasushi Arimoto da KEK, está usando a facilidade para calibrar sua própria sonda - chamada de sonda Hall - para o próximo experimento SuperKEKB.

Embora menos precisas do que as sondas de NMR usadas nos experimentos g-2 atuais, As sondas Hall podem medir não apenas a magnitude de um campo magnético com o gradiente de campo, mas também sua direção.

SuperKEKB, um atualizado recentemente, colisor elétron-pósitron de três quilômetros, acelera partículas chamadas elétrons e pósitrons muito perto da velocidade da luz. Os cientistas usarão as medições de partículas criadas em colisões para investigar uma possível explicação da assimetria matéria-antimatéria no universo.

O experimento SuperKEKB envolve cinco ímãs solenóides supercondutores na região de colisão do feixe. Os campos de solenóide têm grande influência na eficiência das colisões. Para elevar a eficiência de colisão do feixe, a equipe usará os dados calibrados das sondas Hall para fazer perfis de campo de solenóide mais precisos.

"Usando as instalações de teste de Argonne, acreditamos que podemos melhorar a precisão das sondas Hall em uma ordem de magnitude, "disse Ohuchi, que é professor da KEK e líder do grupo de ímãs supercondutores no Laboratório do Acelerador. "Isso nos permitirá mapear os campos magnéticos complexos produzidos pelos ímãs SuperKEKB e melhorar a qualidade dos feixes."

Outro próximo experimento no Fermilab, chamado Mu2e, também empregará sondas Hall para mapeamento de campo. O experimento usa um ímã solenóide como o de Argonne, mas maior, para medir as interações entre os múons. O modelo padrão reinante da física de partículas permite que os múons se decomponham de uma maneira específica, mas para este experimento, os cientistas procurarão uma interação proibida cuja ocorrência violaria o modelo padrão e apontaria para uma nova física.

A capacidade das sondas Hall de medir a direção de um campo a torna a sonda preferida para o experimento Mu2e, mas a capacidade adicional exige ainda mais controle de qualidade. Os cientistas de Argonne assumiram a responsabilidade pelo mapeamento de campo no experimento Mu2e, e eles estão usando a instalação de teste para calibrar as sondas.

"Se você tiver um ligeiro desalinhamento entre a direção de onde a sonda lê sua medição e para onde o campo está realmente apontando, a medição pode se desviar do valor real muito rapidamente, "disse Bob Wagner, líder da equipe de mapeamento de campo em Argonne. "Nosso ímã nos permite alinhar os eixos das sondas com o campo e entre si."

À medida que as sondas Hall se tornam mais precisas e precisas com a ajuda das instalações de teste de Argonne, uma nova sonda - que usa hélio - está fazendo sua estreia. Um grupo de pesquisadores da Universidade de Michigan, liderado pelo professor Tim Chupp e Midhat Farooq, desenvolveu a nova sonda de calibração para atuar como uma verificação adicional para campos de medição

O isótopo de hélio na sonda, hélio-3, é um gás inerte que se comporta de maneira diferente da água usada nas sondas tradicionais e tem potencial para maior precisão. "Usamos o ímã de teste Argonne para fazer a calibração cruzada de nossa sonda com duas sondas de água, incluindo um com o mesmo design que a sonda UMass, e encontrou acordo com alta precisão, confirmando que quaisquer efeitos que não consideramos são muito pequenos, "disse Chupp." Nossa próxima etapa é a calibração cruzada da sonda UMass com uma sonda de hélio-3 aprimorada que será ainda mais precisa. "

Farooq e equipe publicaram um artigo em Cartas de revisão física em junho de 2020 sobre o sucesso de sua sonda de hélio.

Uma lista crescente de aplicativos

Desde que aceitou seu primeiro grupo de usuários externos - cientistas da Stony Brook University que testaram uma capa magnética para proteger a eletrônica em experimentos - os aplicativos e a base de usuários da instalação cresceram significativamente.

Além da calibração da sonda, o ímã também ajudou no teste e no desenvolvimento de uma variedade de equipamentos experimentais. Junqi Xie de Argonne, um cientista da divisão de Física do laboratório, usa o ímã para desenvolver detectores que operam em campos magnéticos elevados para aplicações de fotossensor. Os detectores terão aplicações futuras no Colisor de Íons-Elétrons a ser construído no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE.

O Fermilab recentemente usou o ímã para testar seus sistemas de metrologia a laser que eles usam para medir distâncias e alinhar equipamentos em experimentos. Eles testaram a capacidade de vários rastreadores a laser, que pode medir distâncias no nível submilímetro, para permanecer preciso na presença de campos magnéticos elevados.

"A instalação também tem sido útil para o treinamento da próxima geração de cientistas, "disse Kawall, "e as colaborações internacionais formadas serão de benefício duradouro."