Práce na objasnění standardního modelu částicové fyziky

Typické fluktuace magnetického pole, které jsou mapovány automobilem na různých pozicích v úložném prstenci experimentu Muon g-2 a jsou uvedeny na úrovni dílů na milion. Fotografický kredit: Národní laboratoř Argonne

Mapování magnetického pole pro experiment Fermilabs Muon g-2.

Zatímco vědci očekávají velmi očekávané první výsledky experimentu Muon g-2 v laboratoři Fermi National Accelerator Laboratory amerického ministerstva energetiky (DOE), spolupracující vědci z národní laboratoře Argonne DOE pokračují v nasazování a čekají na jedinečný systém, ve kterém Magnetické pole mapuje experiment s bezprecedentní přesností.

Vědci z Argonne vylepšili měřicí systém, který využívá pokročilé komunikační schéma, stejně jako nové sondy a elektroniku magnetického pole pro mapování pole přes obvodový kruh o délce 45 metrů, ve kterém probíhá experiment.

„Mezi Brookhavenovým měřením a teoretickou predikcí byl velký rozpor, a pokud tento nesoulad potvrdíme, bude to signalizovat existenci nezjištěných částic.“ – Simon Corrodi, postdoktorand v oddělení HEP v Argonne

Experiment, který začal v roce 2017 a pokračuje dodnes, by mohl mít velký význam v oblasti částicové fyziky. V důsledku dřívějšího experimentu v Brookhavenské národní laboratoři DOE může potvrdit nebo ignorovat předchozí výsledky, které by mohly osvětlit platnost částí zavedeného standardního modelu částicové fyziky.

Vysoce přesné měření důležitých veličin v experimentech má zásadní význam pro smysluplné výsledky. Nejdůležitějším množstvím zájmu je m-faktor g, vlastnost charakterizující magnetické a kvantově mechanické vlastnosti částice.

Standardní model velmi přesně předpovídá hodnotu g-faktoru mionu. „Protože teorie předpovídá toto číslo tak jasně, je testování g-faktoru experimentováním účinným způsobem, jak tuto teorii otestovat,“ uvedl Simon Corrodi, postdoktorand z divize Argonne High Energy Physics (HEP). „Mezi Brookhavenovým měřením a teoretickou predikcí byl velký rozpor, a pokud tento nesoulad potvrdíme, bude to signalizovat existenci nezjištěných částic.“

Stejně jako zemská osa rotace postupuje – což znamená, že póly se postupně pohybují v kruhu – iónový spin, kvantová verze momentu hybnosti, se pohybuje v přítomnosti magnetického pole. Síla magnetického pole obklopujícího mion ovlivňuje rychlost, s jakou probíhá jeho rotace. Vědci mohou určit g-faktor mionu měřením rychlosti precese rotace a síly magnetického pole.

Čím přesnější jsou tato počáteční měření, tím přesvědčivější bude konečný výsledek. Vědci jsou na cestě k dosažení terénních měření s přesností 70 dílů na miliardu. Tato přesnost umožňuje, aby konečný výpočet faktoru g byl přesný až čtyřnásobek přesnosti výsledků Brookhavenského experimentu. Pokud se experimentálně naměřená hodnota významně liší od očekávané standardní hodnoty modelu, může to znamenat přítomnost neznámých částic, jejichž přítomnost narušuje lokální magnetické pole kolem mionu.

Jízda na vozíku

Během získávání dat magnetické pole způsobí, že paprsek mionu obíhá kolem velkého dutého prstence. Aby bylo možné mapovat intenzitu magnetického pole v celém prstenci s vysokým rozlišením a přesností, vyvinuli vědci systém vozíku, pomocí kterého lze pohybovat měřicími sondami po prstenci a sbírat data.

Experimentální vozík Fermilab Muon g-2

Plně sestavený systém vozíku s koly pro jízdu po kolejích a nová externí čtečka čárových kódů pro přesné měření polohy. Válcový plášť o délce 50 cm obsahuje sondy 17-NMR a speciálně vyrobenou odečítací a řídicí elektroniku. Fotografický kredit: Národní laboratoř Argonne

Univerzita v Heidelbergu vyvinula vozíkový systém pro experiment v Brookhavenu a vědci z Argonne renovovali zařízení a vyměnili elektroniku. Kromě 378 sond, které jsou namontovány v prstenci k neustálému sledování driftu pole, obsahuje auto 17 sond, které pravidelně měří pole s vyšším rozlišením.

„Každé tři dny auto jede oběma směry kolem prstence a provádí přibližně 9 000 měření na sondu v každém směru,“ řekl Corrodi. „Pak provedeme měření, abychom vytvořili vrstvy magnetického pole a poté úplnou 3D mapu prstenu.“

Vědci znají přesnou polohu automobilu v kruhu z nové čtečky čárových kódů, která při pohybu zaznamenává značky na spodní straně kruhu.

Kroužek je naplněn vakuem, aby se usnadnil řízený rozpad mionů. Aby se udržel podtlak v prstenci, garáž připojená k prstenu a vakuu ukládá auto mezi měřeními. Automatizací procesu nakládání a vykládání vozíku do prstence se snižuje riziko, že vědci naruší vakuové a magnetické pole interakcí se systémem. Rovněž minimalizovali spotřebu energie elektroniky vozíku, aby omezili teplo zavedené do systému, které by jinak ovlivnilo přesnost měření pole.

Vědci navrhli auto a garáž tak, aby pracovaly v silném magnetickém poli prstence, aniž by to ovlivňovalo. „Použili jsme motor, který pracuje v silném magnetickém poli s minimálním magnetickým podpisem, a motor mechanicky pohybuje automobilem pomocí řetězců,“ řekl Corrodi. „Tím se snižuje šum při měření v terénu zavedený zařízeními.“

Systém používá co nejméně magnetického materiálu a vědci testovali magnetickou stopu každé součásti pomocí testovacích magnetů na University of Washington a Argonne k charakterizaci celého magnetického podpisu systému vozíku.

Síla komunikace

Jeden ze dvou kabelů, které táhnou vozík kolem prstence, funguje také jako napájecí a komunikační kabel mezi řídicí stanicí a měřicími sondami.

Vědci změřili pole a vyslali po kabelu vysokofrekvenční frekvenci do 17 sond troleje. Vysoká frekvence způsobuje otáčení molekul v sondě v magnetickém poli. Rádiová frekvence se poté vypne přesně ve správný okamžik, což urychlí rotaci molekul vody. Tento přístup je známý jako nukleární magnetická rezonance (NMR).

Frekvence, při které se sondy otáčejí, závisí na magnetickém poli v kruhu. Digitizér na palubě automobilu převádí analogovou rádiovou frekvenci na několik digitálních hodnot, které se přenášejí po kabelu do řídicí stanice. Vědci na řídicí stanici analyzují digitální data, aby vytvořili frekvenci precese spinu a z toho kompletní mapu magnetického pole.

Během experimentu v Brookhavenu byly všechny signály vysílány přes kabel současně. Avšak vzhledem k převodu z analogového na digitální signál v novém experimentu musí být po kabelu přeneseno mnohem více dat a tato zvýšená rychlost by mohla interferovat s velmi přesnou rádiovou frekvencí potřebnou pro měření sondy. Aby se tomuto narušení vyhnulo, vědci oddělili signály včas a přepnuli mezi vysokofrekvenčním signálem a datovou komunikací v kabelu.

“Poskytujeme sondám rádiovou frekvenci přes analogový signál,” řekl Corrodi, “a pro přenos dat používáme digitální signál.” Kabel přepíná mezi těmito dvěma režimy každých 35 milisekund. “

Taktika přepínání mezi signály přenášenými přes stejný kabel je známá jako „multiplexování s časovým dělením“ a pomáhá vědcům dosáhnout specifikací nejen pro přesnost, ale také hladiny hluku. Multiplexování s časovým dělením je upgradem experimentu Brookhaven a umožňuje mapování s vyšším rozlišením a nové funkce pro analýzu dat magnetického pole.

Nadcházející výsledky

Jak systém NMR pro mapování pole, tak jeho řízení pohybu byly úspěšně uvedeny do provozu ve Fermilab a byly spolehlivě funkční během prvních tří období sběru dat experimentu.

V tomto experimentu mion g-2 vědci dosáhli nebývalé přesnosti pro měření v terénu a také jednotného záznamu magnetického pole prstence. Vědci v současné době analyzují první kolo údajů z roku 2018 a očekávají, že výsledky zveřejní do konce roku 2020.

Vědci vysvětlili složitou strukturu v článku publikovaném v Journal of Instrumentation.

Odkaz: „Návrh a výkon systému pro mapování magnetického pole ve vakuu pro experiment Muon g-2“, autor: S. Corrodia, P. De Lurgioa, D. Flayb, J. Grangea, R. Honga, D. Kawallb, M Oberlinga, S. Ramachandrana a P. Wintera, 4. listopadu 2020, Journal of Instrumentation.
DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 15/11 / P11008

Tento výzkum byl financován DOE Bureau of Science, High Energy Physics (HEP). Fermilab Particle Accelerator Complex je uživatelským zařízením Úřadu pro vědu DOE.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Naneste na krém Deep Heat

Podle Experimentální biologie 6. května 2021 Studie odhalila zvýšení aerobního výkonu u sportovců, kteří používali krém s hlubokým teplem bez lékařského předpisu. Hluboké tepelné krémy, které sportovci...

Skladování obnovitelné energie v kamenech místo lithiových baterií

V případě přebytku elektřiny z větru nebo slunce se energetická rezerva nabije. To se děje prostřednictvím systému kompresorů a turbín, které čerpají tepelnou...

Byly vyvinuty ploché nudle, které se při vaření transformují do tvaru

CMU Lab vede vývoj nudlí, které se při vaření transformují do tvaru. Fotografický kredit: Carnegie Mellon University Ploché nudle zajišťují udržitelnější balení, přepravu a...

Houby mohou léčit bakterie a obohatit půdu o živiny

Aeroskulární mykorhizní houby se rozprostírají přes dlouhé vláknité struktury zvané krásně až k zemi. Krásy, menší než lidské vlasy, lze vidět mezi kořeny...

Světlo zapíná barvy a vzory objektů

Nový systém využívá ultrafialové světlo, které se promítá na objekty natřené barvou aktivující světlo, ke změně reflexních vlastností barvy a vytváření obrazů během několika...

Newsletter

Subscribe to stay updated.