Os cientistas estão testando nossa compreensão fundamental do universo, e há muito mais para descobrir.

O que fazem as telas sensíveis ao toque, a radioterapia e o encolhimento têm em comum? Todos eles foram possibilitados pela pesquisa em física de partículas. As descobertas de como o universo funciona em menor escala geralmente levam a enormes avanços na tecnologia que usamos todos os dias.

Cientistas do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e do Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi, junto com colaboradores de 46 outras instituições e sete países, estamos conduzindo um experimento para testar nosso conhecimento atual do universo. O primeiro resultado aponta para a existência de partículas ou forças não descobertas. Esta nova física pode ajudar a explicar mistérios científicos de longa data, e o novo insight adiciona a um depósito de informações que os cientistas podem explorar ao modelar nosso universo e desenvolver novas tecnologias.

O experimento, Muon g-2 (pronuncia-se Muon g menos 2), segue um que começou nos anos 90 no Laboratório Nacional Brookhaven do DOE, no qual os cientistas mediram uma propriedade magnética de uma partícula fundamental chamada múon.

O experimento de Brookhaven produziu um resultado diferente do valor previsto pelo Modelo Padrão, a melhor descrição dos cientistas da composição e do comportamento do universo. O novo experimento é uma recriação de Brookhaven, construído para desafiar ou afirmar a discrepância com maior precisão.

O modelo padrão prevê com muita precisão o fator g do múon - um valor que informa aos cientistas como essa partícula se comporta em um campo magnético. Este fator g é conhecido por estar próximo do valor dois, e os experimentos medem seu desvio de dois, daí o nome Muon g-2.

O experimento em Brookhaven indicou que g-2 diferia da previsão teórica em algumas partes por milhão. Essa diferença minúscula sugeria a existência de interações desconhecidas entre o múon e o campo magnético - interações que poderiam envolver novas partículas ou forças.

O primeiro resultado do novo experimento concorda fortemente com o de Brookhaven, reforçando a evidência de que há novas físicas a serem descobertas. Os resultados combinados do Fermilab e Brookhaven mostram uma diferença do modelo padrão com uma significância de 4,2 sigma (ou desvios padrão), um pouco menos do que o 5 sigma que os cientistas exigem para reivindicar uma descoberta, mas ainda evidências convincentes de nova física. A chance de que os resultados sejam uma flutuação estatística é de cerca de 1 em 40, 000

Partículas além do modelo padrão podem ajudar a explicar fenômenos intrigantes na física, como a natureza da matéria escura, uma substância misteriosa e difusa que os físicos sabem que existe, mas ainda não detectaram.

"Este é um resultado incrivelmente emocionante, "disse Ran Hong de Argonne, um pós-doutorado que trabalhou no experimento Muon g-2 por mais de quatro anos. "Essas descobertas podem ter implicações importantes para futuros experimentos de física de partículas e podem levar a uma compreensão mais forte de como o universo funciona."

A equipe de cientistas de Argonne contribuiu significativamente para o sucesso do experimento. A equipe original, montado e liderado pelo físico Peter Winter, incluíam Hong de Argonne e Simon Corrodi, bem como Suvarna Ramachandran e Joe Grange, que desde então deixaram Argonne.

"Esta equipe possui um conjunto de habilidades únicas e impressionantes, com alto conhecimento em hardware, planejamento operacional e análise de dados, "disse Winter, que lidera as contribuições do Muon g-2 de Argonne. "Eles fizeram contribuições vitais para o experimento, e não poderíamos ter obtido esses resultados sem seu trabalho. "

Para derivar o verdadeiro g-2 do múon, os cientistas do Fermilab produzem feixes de múons que viajam em um círculo através de um grande, anel oco na presença de um forte campo magnético. Este campo mantém os múons no anel e faz com que a direção do spin de um múon gire. A rotação, que os cientistas chamam de precessão, é semelhante à rotação do eixo da Terra, apenas muito, muito mais rapido.

Para calcular g-2 com a precisão desejada, os cientistas precisam medir dois valores com uma certeza muito alta. Um é a taxa de precessão do spin do múon conforme ele atravessa o anel. O outro é a força do campo magnético ao redor do múon, que influencia sua precessão. É aí que entra Argonne.

Viagem ao campo

Embora os múons viajem através de um campo magnético impressionantemente constante, mudanças de temperatura ambiente e efeitos do hardware do experimento causam pequenas variações ao longo do anel. Mesmo essas pequenas mudanças na intensidade do campo, se não for contabilizado, pode impactar significativamente a precisão do cálculo de g-2.

Para corrigir as variações de campo, os cientistas medem constantemente o campo à deriva usando centenas de sondas montadas nas paredes do anel. Além disso, eles enviam um carrinho ao redor do anel a cada três dias para medir a intensidade do campo por onde o feixe de múon realmente passa. Montadas no carrinho estão sondas que mapeiam o campo magnético com uma precisão incrivelmente alta em toda a circunferência de 45 metros do anel.

Para atingir a meta final de incerteza de menos de 70 partes por bilhão (cerca de 2,5 vezes melhor do que a medição de campo no experimento anterior), Os cientistas de Argonne reformaram o sistema de bonde usado no experimento de Brookhaven com habilidades de comunicação avançadas e novas, sondas de campo magnético ultraprecisas desenvolvidas pela Universidade de Washington.

O carrinho dá a volta no anel em ambas as direções, levando cerca de 9, 000 medições por sonda e direção. Os cientistas usam as medições para reconstruir fatias do campo magnético e, em seguida, derivar um completo, Mapa 3D do campo no ringue. Os valores de campo em pontos do mapa entram no cálculo de g-2 para múons que passam por esses locais. Quanto melhores forem as medições de campo, mais significativo será o resultado final.

Os cientistas também converteram alguns dos sinais analógicos usados ​​no antigo experimento em sinais digitais para aumentar a quantidade de dados que podiam obter das sondas. Isso exigia uma engenharia complexa do sistema de comunicações do carrinho para minimizar os distúrbios nos mecanismos de sondagem sensíveis.

"Foi um grande desafio fazer o carrinho operar sem problemas e com segurança. Exigia que o sistema de controle lidasse com as operações de rotina, mas também identificasse emergências e reagisse de forma adequada, "disse Hong, cuja formação em pesquisa científica e engenharia foi crucial para projetar o bonde para operar com interrupção limitada do experimento.

A equipe planeja atualizar o sistema do carrinho para o próximo período de coleta de dados para melhorar ainda mais as medições, reduzindo a incerteza pouco a pouco.

Afinação

Em experimentos de precisão como Muon g-2, o objetivo principal é reduzir qualquer incerteza ou erro sistemático que possa afetar as medições.

"Medir os números brutos é relativamente fácil - descobrir o quão bem conhecemos os números é o verdadeiro desafio, "disse Corrodi, um pós-doutorado nomeado na divisão de Física de Altas Energias (HEP) da Argonne.

Para garantir a precisão das medições do campo magnético, os cientistas calibraram as sondas usando 4-Tesla Solenóide Facility de Argonne, que abriga um ímã de um antigo scanner de ressonância magnética (MRI). O ímã produz um campo magnético uniforme e estável com mais de 400 vezes a força de um ímã de geladeira.

Os cientistas da Argonne calibraram as sondas no carrinho com as leituras de uma sonda que foi projetada e testada dentro do ímã solenóide. Esse processo garante que as sondas leiam a mesma medição quando no mesmo campo magnético e permite que os cientistas façam correções precisas. A instalação de teste permitiu aos cientistas realizar medições de campo até várias partes por bilhão - como medir o volume de água em uma piscina até a queda.

"Além de calibrar as sondas, melhoramos as medições de campo ajustando as configurações de operação em tempo real, "disse Corrodi, "Durante a análise de dados, encontramos alguns efeitos que não esperávamos. "

Quando Corrodi e a equipe viram falhas nos dados, eles investigaram o sistema para localizar a causa. Por exemplo, certos dispositivos no anel focalizam o feixe de múon para mantê-lo centralizado. Esses dispositivos, Contudo, perturbar ligeiramente o campo magnético no anel. Os cientistas criaram uma forma de medir esse efeito para removê-lo da análise.

Juntando tudo

A jornada dos dados do campo magnético da sonda ao computador é complexa. Corrodi, Hong e outros configuraram o hardware e o software para ler os dados das sondas de campo com os carimbos de hora e localização corretos. Eles também precisavam dar sentido aos dados, que começam em código binário, a fim de integrá-los com a estrutura de análise comum para o experimento.

"Tivemos que converter os dados brutos em algo com que pudéssemos trabalhar, "disse Hong, "e éramos responsáveis ​​pelo controle de qualidade dos dados, determinar quais dados defeituosos devem ser descartados na análise final de g-2. "

Corrodi vai liderar a equipe de análise do campo magnético, resolver conflitos com o equipamento e certificar-se de que as várias equipes do experimento convergem para o próximo resultado, disse Winter. "Você realmente precisa entender toda a análise de campo para alcançar nossos objetivos científicos."

O futuro dos experimentos com múons

A primeira coisa que os cientistas planejam fazer é verificar os resultados.

"Até aqui, a precisão da medição final de g-2 é comparável à do experimento de Brookhaven, mas isso é dominado pelo fato de que os dados são limitados até agora, "disse Corrodi." Analisamos apenas 6% dos dados que planejamos assumir todo o experimento. Esses dados adicionados irão reduzir a incerteza significativamente. "

O primeiro resultado também é encorajador para os cientistas que conduzem outros experimentos com múon presentes e planejados, incluindo um futuro experimento g-2 que será conduzido no Japão, e o próximo experimento com múon no Fermilab - o experimento Mu2e. Esses projetos já estão usando a Solenóide da Argonne para fazer a calibração cruzada de suas sondas de campo magnético com as usadas no Fermilab.

"Pode haver um esforço renovado para procurar múons no Grande Colisor de Hádrons, procurando possíveis dicas da nova física por trás do valor g-2, "disse Carlos Wagner, um físico teórico no HEP de Argonne, que trabalha para tentar explicar esses fenômenos. “Também poderia haver um interesse renovado na construção de um colisor de múons, o que poderia fornecer uma maneira direta de verificar essa nova física. "

Assim que os cientistas entenderem essa nova física, pode ser capaz de informar modelos cosmológicos e mecânicos quânticos, ou até mesmo ajudar os cientistas a inventar novas tecnologias no futuro - o próximo filme plástico, possivelmente.

A colaboração publicou um artigo sobre o resultado em Cartas de revisão física , intitulado "Medição do momento magnético anômalo do múon positivo para 0,46 ppm." Um artigo sobre a medição do campo magnético também foi publicado em Revisão Física A , intitulado "Medição e análise de campo magnético para o experimento Muon g-2 no Fermilab."