Enquanto os cientistas aguardam os resultados iniciais altamente esperados do experimento Muon g-2 no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi do Departamento de Energia dos EUA (DOE), cientistas colaboradores do Laboratório Nacional de Argonne do DOE continuam a empregar e manter o sistema exclusivo que mapeia o campo magnético no experimento com precisão sem precedentes.

Os cientistas da Argonne atualizaram o sistema de medição, que usa um esquema de comunicação avançado e novas sondas de campo magnético e eletrônicos para mapear o campo ao longo do anel de circunferência de 45 metros no qual o experimento ocorre.

O experimento, que começou em 2017 e continua até hoje, poderia ser de grande importância para o campo da física de partículas. Como seguimento de um experimento anterior no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, tem o poder de afirmar ou descontar os resultados anteriores, que poderia lançar luz sobre a validade de partes do modelo padrão reinante da física de partículas.

Medições de alta precisão de quantidades importantes no experimento são cruciais para a produção de resultados significativos. A quantidade primária de interesse é o fator g do múon, uma propriedade que caracteriza os atributos magnéticos e mecânicos quânticos da partícula.

O modelo padrão prevê o valor do fator g do múon com muita precisão. "Porque a teoria prevê tão claramente esse número, testar o fator g por meio de experimentos é uma maneira eficaz de testar a teoria, "disse Simon Corrodi, um pós-doutorado nomeado na divisão de Física de Altas Energias (HEP) da Argonne. "Houve um grande desvio entre a medição de Brookhaven e a previsão teórica, e se confirmarmos esta discrepância, vai sinalizar a existência de partículas não descobertas. "

Assim como o eixo de rotação da Terra sofre precessão - o que significa que os pólos viajam gradualmente em círculos - o spin do múon, uma versão quântica do momento angular, precessões na presença de um campo magnético. A força do campo magnético ao redor de um múon influencia a taxa de precessão de seu spin. Os cientistas podem determinar o fator g do múon usando medições da taxa de precessão do spin e da força do campo magnético.

Quanto mais precisas forem essas medições iniciais, mais convincente será o resultado final. Os cientistas estão a caminho de realizar medições de campo com precisão de 70 partes por bilhão. Este nível de precisão permite que o cálculo final do fator g seja preciso até quatro vezes a precisão dos resultados do experimento de Brookhaven. Se o valor medido experimentalmente difere significativamente do valor do Modelo Padrão esperado, pode indicar a existência de partículas desconhecidas cuja presença perturba o campo magnético local ao redor do múon.

Passeio de bonde

Durante a coleta de dados, um campo magnético faz com que um feixe de múons viaje em torno de um grande, anel oco. Para mapear a força do campo magnético em todo o anel com alta resolução e precisão, os cientistas projetaram um sistema de carrinho para conduzir sondas de medição ao redor do anel e coletar dados.

A Universidade de Heidelberg desenvolveu o sistema de bonde para o experimento de Brookhaven, e os cientistas da Argonne reformaram o equipamento e substituíram os componentes eletrônicos. Além de 378 sondas que são montadas dentro do anel para monitorar constantemente desvios de campo, o carrinho contém 17 sondas que medem periodicamente o campo com resolução mais alta.

"A cada três dias, o carrinho dá a volta no anel em ambas as direções, levando cerca de 9, 000 medições por sonda e direção, "disse Corrodi." Em seguida, fazemos as medições para construir fatias do campo magnético e, em seguida, um completo, Mapa 3D do anel. "

Os cientistas sabem a localização exata do carrinho no anel por meio de um novo leitor de código de barras que registra as marcas na parte inferior do anel conforme ele se move.

O anel é preenchido com um vácuo para facilitar a decadência controlada dos múons. Para preservar o vácuo dentro do anel, uma garagem conectada ao anel e vácuo armazena o carrinho entre as medições. Automatizar o processo de carregamento e descarregamento do carrinho no anel reduz o risco de os cientistas comprometerem o vácuo e o campo magnético ao interagir com o sistema. Eles também minimizaram o consumo de energia da eletrônica do carrinho, a fim de limitar o calor introduzido no sistema, o que de outra forma perturbaria a precisão da medição do campo.

Os cientistas projetaram o carrinho e a garagem para operar no forte campo magnético do anel, sem influenciá-lo. “Usamos um motor que funciona no campo magnético forte e com assinatura magnética mínima, e o motor move o carrinho mecanicamente, usando cordas, "disse Corrodi." Isso reduz o ruído nas medições de campo introduzidas pelo equipamento. "

O sistema usa a menor quantidade possível de material magnético, e os cientistas testaram a pegada magnética de cada componente usando ímãs de teste na Universidade de Washington e Argonne para caracterizar a assinatura magnética geral do sistema do trole.

O poder da comunicação

Dos dois cabos puxando o carrinho ao redor do anel, um deles também atua como cabo de alimentação e comunicação entre a estação de controle e as sondas de medição.

Para medir o campo, os cientistas enviam uma frequência de rádio através do cabo para as 17 sondas do bonde. A radiofrequência faz com que os spins das moléculas dentro da sonda girem no campo magnético. A frequência de rádio é desligada no momento certo, fazendo com que os giros das moléculas de água entrem em precessão. Esta abordagem é chamada de ressonância magnética nuclear (NMR).

A frequência com que a precessão dos giros das sondas depende do campo magnético no anel, e um digitalizador a bordo do carrinho converte a frequência de rádio analógica em vários valores digitais comunicados por meio do cabo a uma estação de controle. Na estação de controle, os cientistas analisam os dados digitais para construir a frequência de precessão do spin e, a partir desse, um mapa completo do campo magnético.

Durante o experimento de Brookhaven, todos os sinais foram enviados pelo cabo simultaneamente. Contudo, devido à conversão de sinal analógico para digital no novo experimento, muito mais dados precisam viajar pelo cabo, e esta taxa aumentada poderia perturbar a freqüência de rádio muito precisa necessária para a medição da sonda. Para evitar esse distúrbio, os cientistas separaram os sinais no tempo, alternar entre o sinal de radiofrequência e a comunicação de dados no cabo.

"Fornecemos às sondas uma frequência de rádio por meio de um sinal analógico, "disse Corrodi, "e usamos um sinal digital para comunicar os dados. O cabo alterna entre esses dois modos a cada 35 milissegundos."

A tática de alternar entre os sinais que viajam pelo mesmo cabo é chamada de "multiplexação por divisão de tempo, "e ajuda os cientistas a alcançarem especificações não apenas de precisão, mas também os níveis de ruído. Uma atualização do experimento Brookhaven, a multiplexação por divisão de tempo permite mapeamento de alta resolução e novos recursos em análise de dados de campo magnético.

Próximos resultados

Tanto o sistema de mapeamento de campo NMR quanto seu controle de movimento foram comissionados com sucesso no Fermilab e estiveram em operação confiável durante os três primeiros períodos de coleta de dados do experimento.

Os cientistas alcançaram uma precisão sem precedentes para medições de campo, bem como uniformidade de registro do campo magnético do anel, neste experimento Muon g-2. Os cientistas estão atualmente analisando a primeira rodada de dados de 2018, e eles esperam publicar os resultados até o final de 2020.

Os cientistas detalharam a configuração complexa em um artigo, intitulado "Design e desempenho de um vácuo, sistema de mapeamento de campo magnético para o experimento Muon g-2, "publicado no Jornal de Instrumentação .