Variaciones típicas del campo magnético mapeadas por el carro en diferentes posiciones en el anillo de almacenamiento del experimento Muon g-2, que se muestran en el nivel de partes por millón. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne
Mapeo del campo magnético para el experimento Muon g-2 de Fermilab.
Mientras los científicos esperan los muy esperados resultados iniciales del experimento Muon g-2 en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los científicos colaboradores del Laboratorio Nacional Argonne del DOE continúan empleando y manteniendo el sistema único que mapea el campo magnético en el experimento con una precisión sin precedentes.
Los científicos de Argonne actualizaron el sistema de medición, que utiliza un esquema de comunicación avanzado y nuevas sondas de campo magnético y electrónica para mapear el campo a lo largo del anillo de circunferencia de 45 metros en el que tiene lugar el experimento.
«Hubo una gran desviación entre la medición de Brookhaven y la predicción teórica, y si confirmamos esta discrepancia, indicará la existencia de partículas no descubiertas». – Simon Corrodi, asistente postdoctoral en la división HEP de Argonne
El experimento, que comenzó en 2017 y continúa hoy, podría tener grandes consecuencias para el campo de la física de partículas. Como seguimiento de un experimento anterior en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, tiene el poder de afirmar o descartar los resultados anteriores, lo que podría arrojar luz sobre la validez de partes del Modelo Estándar vigente de física de partículas.
Las mediciones de alta precisión de grandes cantidades en el experimento son cruciales para producir resultados significativos. La principal cantidad de interés es el factor g del muón, una propiedad que caracteriza los atributos magnéticos y mecánicos cuánticos de la partícula.
El modelo estándar predice el valor del factor g del muón con mucha precisión. «Debido a que la teoría predice tan claramente este número, probar el factor g mediante un experimento es una forma eficaz de probar la teoría», dijo Simon Corrodi, un postdoctoral designado en la división de Física de Altas Energías (HEP) de Argonne. «Hubo una gran desviación entre la medición de Brookhaven y la predicción teórica, y si confirmamos esta discrepancia, indicará la existencia de partículas no descubiertas».
Al igual que el eje de rotación de la Tierra se precesa, es decir, los polos viajan gradualmente en círculos, el giro del muón, una versión cuántica del momento angular, se precesa en presencia de un campo magnético. La fuerza del campo magnético que rodea a un muón influye en la velocidad a la que precesa su espín. Los científicos pueden determinar el factor g del muón utilizando medidas de la tasa de precesión de espín y la intensidad del campo magnético.
Cuanto más precisas sean estas mediciones iniciales, más convincente será el resultado final. Los científicos están en camino de lograr mediciones de campo con una precisión de 70 partes por mil millones. Este nivel de precisión permite que el cálculo final del factor g sea cuatro veces más preciso que los resultados del experimento de Brookhaven. Si el valor medido experimentalmente difiere significativamente del valor esperado del Modelo Estándar, puede indicar la existencia de partículas desconocidas cuya presencia perturba el campo magnético local alrededor del muón.
Paseo en tranvía
Durante la recolección de datos, un campo magnético hace que un haz de muones viaje alrededor de un anillo hueco grande. Para mapear la fuerza del campo magnético en todo el anillo con alta resolución y precisión, los científicos diseñaron un sistema de carro para conducir sondas de medición alrededor del anillo y recopilar datos.
Sistema de carro completamente ensamblado con ruedas para montar sobre rieles y el nuevo lector de código de barras externo para una medición de posición exacta. La carcasa cilíndrica de 50 cm de largo incluye las sondas de 17 RMN y la electrónica de control y lectura personalizada. Crédito: Laboratorio Nacional Argonne
La Universidad de Heidelberg desarrolló el sistema de carro para el experimento de Brookhaven, y los científicos de Argonne renovaron el equipo y reemplazaron la electrónica. Además de las 378 sondas que están montadas dentro del anillo para monitorear constantemente las desviaciones del campo, el carro tiene 17 sondas que miden periódicamente el campo con mayor resolución.
“Cada tres días, el carro da la vuelta al anillo en ambas direcciones, tomando alrededor de 9.000 mediciones por sonda y dirección”, dijo Corrodi. «Luego, tomamos las medidas para construir cortes del campo magnético y luego un mapa 3D completo del anillo».
Los científicos conocen la ubicación exacta del carro en el anillo gracias a un nuevo lector de códigos de barras que registra las marcas en la parte inferior del anillo a medida que se mueve.
El anillo se llena con un vacío para facilitar la descomposición controlada de los muones. Para preservar el vacío dentro del anillo, un garaje conectado al anillo y vacío almacena el carro entre mediciones. La automatización del proceso de carga y descarga del carro en el anillo reduce el riesgo de que los científicos comprometan el vacío y el campo magnético al interactuar con el sistema. También minimizaron el consumo de energía de la electrónica del carro para limitar el calor introducido en el sistema, que de otro modo interrumpiría la precisión de la medición de campo.
Los científicos diseñaron el carro y el garaje para operar en el fuerte campo magnético del anillo sin influenciarlo. “Usamos un motor que trabaja en un campo magnético fuerte y con una firma magnética mínima, y el motor mueve el carro mecánicamente, usando cuerdas”, dijo Corrodi. «Esto reduce el ruido en las mediciones de campo introducidas por el equipo».
El sistema utiliza la menor cantidad posible de material magnético, y los científicos probaron la huella magnética de cada componente utilizando imanes de prueba en el Universidad de Washington y Argonne para caracterizar la firma magnética general del sistema de carro.
El poder de la comunicacion
De los dos cables que tiran del carro alrededor del anillo, uno de ellos también actúa como cable de alimentación y comunicación entre la estación de control y las sondas de medición.
Para medir el campo, los científicos envían una frecuencia de radio a través del cable a las 17 sondas del carro. La radiofrecuencia hace que los espines de las moléculas dentro de la sonda giren en el campo magnético. La radiofrecuencia se apaga en el momento justo, lo que hace que los giros de las moléculas de agua se precesen. Este enfoque se llama resonancia magnética nuclear (RMN).
La frecuencia a la que preceden los giros de las sondas depende del campo magnético en el anillo, y un digitalizador a bordo del carro convierte la radiofrecuencia analógica en múltiples valores digitales comunicados a través del cable a una estación de control. En la estación de control, los científicos analizan los datos digitales para construir la frecuencia de precesión de espín y, a partir de eso, un mapa completo del campo magnético.
Durante el experimento de Brookhaven, todas las señales se enviaron a través del cable simultáneamente. Sin embargo, debido a la conversión de señal analógica a digital en el nuevo experimento, muchos más datos tienen que viajar por el cable, y este aumento de velocidad podría perturbar la frecuencia de radio muy precisa necesaria para la medición de la sonda. Para evitar esta perturbación, los científicos separaron las señales a tiempo, cambiando entre la señal de radiofrecuencia y la comunicación de datos en el cable.
“Proporcionamos a las sondas una radiofrecuencia a través de una señal analógica”, dijo Corrodi, “y usamos una señal digital para comunicar los datos. El cable cambia entre estos dos modos cada 35 milisegundos «.
La táctica de cambiar entre señales que viajan a través del mismo cable se llama «multiplexación por división de tiempo» y ayuda a los científicos a alcanzar especificaciones no solo para exactitud, pero también niveles de ruido. Una actualización del experimento de Brookhaven, la multiplexación por división de tiempo permite un mapeo de mayor resolución y nuevas capacidades en el análisis de datos de campo magnético.
Próximos resultados
Tanto el sistema de RMN de mapeo de campo como su control de movimiento se encargaron con éxito en Fermilab y han estado en funcionamiento confiable durante los primeros tres períodos de toma de datos del experimento.
Los científicos han logrado una precisión sin precedentes para las mediciones de campo, así como una uniformidad récord del campo magnético del anillo, en este experimento de Muon g-2. Actualmente, los científicos están analizando la primera ronda de datos de 2018 y esperan publicar los resultados para fines de 2020.
Los científicos detallaron la compleja configuración en un artículo, publicado en el Revista de instrumentación.
Referencia: «Diseño y ejecución de un sistema de mapeo de campo magnético en vacío para el experimento Muon g-2» por S. Corrodia, P. De Lurgioa, D. Flayb, J. Grangea, R. Honga, D. Kawallb, M. Oberlinga, S. Ramachandrana y P. Wintera, 4 de noviembre de 2020, Revista de instrumentación.
DOI: 10.1088 / 1748-0221 / 15/11 / P11008
Esta investigación fue financiada por la Oficina de Ciencias del DOE, Física de altas energías (HEP). El complejo acelerador de partículas Fermilab es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.