Мюонная г -2 (произносится «джи минус два») представляет собой частицу физики эксперимент в Fermilab для измерения аномального магнитного дипольного момента в виде мюона с точностью до 0,14 частей на миллион , [1] , который будет чувствительным испытанием стандартной модели . Это также может служить доказательством существования совершенно новых частиц. [2]
Мюон, как и его более легкий собрат электрон, действует как вращающийся магнит. Параметр, известный как « g- фактор », указывает, насколько силен магнит и скорость его вращения . Значение g немного больше 2, отсюда и название эксперимента. Это отличие от 2 («аномальная» часть) вызвано вкладами более высокого порядка из квантовой теории поля . Измеряя g −2 с высокой точностью и сравнивая его значение с теоретическим предсказанием, физики обнаруживают, согласуется ли эксперимент с теорией. Любое отклонение указывало бы на еще неоткрытые субатомные частицы, существующие в природе. [3]
Три периода сбора данных (Run-1, Run-2 и Run-3) были завершены, а Run-4 в настоящее время продолжается. Результаты анализа данных Run-1 были объявлены и опубликованы 7 апреля 2021 года. [4] [5] Физики сообщили, что результаты недавних исследований с участием частицы бросают вызов Стандартной модели и, соответственно, могут потребовать обновления из понимаемой в настоящее время физики. [6] [7]
График
Мюон g −2 в ЦЕРНе
Первые эксперименты по мюонам g −2 начались в ЦЕРНе в 1959 году по инициативе Леона Ледермана . [8] [9] Группа из шести физиков провела первый эксперимент, используя синхроциклотрон в ЦЕРНе. Первые результаты были опубликованы в 1961 г. [10] с точностью 2% относительно теоретического значения, а затем вторые с точностью 0,4% на этот раз, что подтвердило теорию квантовой электродинамики.
Второй эксперимент начался в 1966 году с новой группы, работающей на этот раз с протонным синхротроном, все еще в ЦЕРНе. Результаты были в 25 раз точнее предыдущих и показали количественное расхождение между экспериментальными значениями и теоретическими значениями, что потребовало от физиков пересчета своей теоретической модели. Третий эксперимент, начатый в 1969 г., опубликовал свои окончательные результаты в 1979 г. [11], подтвердив теорию с точностью 0,0007%. Соединенные Штаты взяли на себя эксперимент g −2 в 1984 году [12].
Мюон g −2 в Брукхейвенской национальной лаборатории
Следующий этап исследования мюонов g −2 был проведен на синхротроне с переменным градиентом Брукхейвенской национальной лаборатории . Эксперимент проводился аналогично последнему эксперименту ЦЕРНа с целью повышения точности в 20 раз. Этот метод включал хранение мюонов с энергией 3,094 ГэВ в однородном измеренном магнитном поле и наблюдение разницы в прецессии спина мюона и частоте вращения посредством регистрации электронов распада мюона. Повышение точности в значительной степени зависело от гораздо более интенсивного пучка, чем было доступно в ЦЕРН, и от инжекции мюонов в накопительное кольцо, тогда как в предыдущих экспериментах в ЦЕРНе в накопительное кольцо вводились пионы, из которых лишь небольшая часть распадается на мюоны, которые хранятся. В эксперименте использовалось гораздо более однородное магнитное поле с использованием сверхферрильного сверхпроводящего накопительного магнита, пассивного сверхпроводящего магнитного инфлектора, быстрых мюонных кикеров для отклонения инжектированных мюонов на сохраненные орбиты, тележки ЯМР с лучевой трубкой, которая могла отображать магнитное поле в области хранения и многие другие экспериментальные достижения. В эксперименте использовались данные с положительными и отрицательными мюонами в период с 1997 по 2001 год. Его окончательный результат - µ = (g − 2) / 2 = 11659208.0 (5.4) (3.3) × 10 −10, полученный путем комбинирования согласованных результатов с аналогичной точностью из положительные и отрицательные мюоны. [13]
Мюон g −2 в Фермилабе
ФНАЛ продолжает эксперимента , проведенного в Brookhaven National Laboratory [14] для измерения аномального магнитного дипольного момента от мюона . Эксперимент в Брукхейвене закончился в 2001 году, но десять лет спустя Фермилаб приобрел оборудование и работает над более точным измерением (меньшее σ ), которое либо устранит несоответствие, либо подтвердит его как экспериментально наблюдаемый пример физики за пределами Стандартной модели .
Магнит был отремонтирован и включен в сентябре 2015 года, и было подтверждено, что он имеет такую же базовую однородность магнитного поля 1,3 ppm, что и до переезда.
По состоянию на октябрь 2016 года магнит был восстановлен и тщательно отрегулирован для создания очень однородного магнитного поля. Новые усилия в Fermilab привели к трехкратному улучшению общей однородности, что важно для нового измерения с его целью более высокой точности. [15]
В апреле 2017 года коллаборация готовила эксперимент к первому серийному выпуску с протонами - для калибровки детекторных систем. Магнит получил свой первый пучок мюонов в новом месте 31 мая 2017 года. [16] Сбор данных планировалось провести до 2020 года. [17]
7 апреля 2021 г. были опубликованы результаты эксперимента: a µ = 116592040 (54) × 10 −11 . Новые экспериментальные среднемировые результаты, объявленные коллаборацией Muon g-2: g-фактор: 2,00233184122 (82), аномальный магнитный момент: 0,00116592061 (41). Объединенные результаты Фермилаба и Брукхейвена показывают разницу с теорией при значении 4,2 сигма, что немного меньше пяти сигм (или стандартных отклонений), необходимых ученым, чтобы заявить об открытии, но все же неопровержимое свидетельство новой физики. Вероятность того, что статистические колебания приведут к столь же поразительным результатам, составляет примерно 1 из 40 000. [18]
Теория магнитных моментов
Г заряженного лептона ( электрон , мюон , или тау ) очень близка 2. отличия от 2 ( «аномальной» части) зависит от лептонов, и может быть вычислено достаточно точно на основании текущей стандартной модели физики частиц . Измерения электрона полностью согласуются с этим расчетом. В эксперименте в Брукхейвене это измерение было выполнено для мюонов, что является гораздо более сложным с технической точки зрения измерением из-за их короткого времени жизни, и было обнаружено заманчивое, но не окончательное расхождение 3,7 σ между измеренным значением и предсказанием Стандартной модели (0,001 165 920 89 против0,001 165 9180 ). [19]
Дизайн
Центральным элементом эксперимента является сверхпроводящий магнит диаметром 50 футов (15 м) с исключительно однородным магнитным полем. Он был доставлен целиком из Брукхейвена на Лонг-Айленде , штат Нью-Йорк, в Фермилаб летом 2013 года. Маршрут преодолел 3200 миль за 35 дней [20], в основном на барже вдоль Восточного побережья и через Мобил, Алабама. , до водного пути Теннесси – Томбигби, а затем ненадолго до Миссисипи . Первый и последний этапы проходили на специальном грузовике, который ночью ехал по закрытым шоссе.
Детекторы
Измерение магнитного момента осуществляется 24 детекторами электромагнитных калориметров , которые равномерно распределены внутри накопительного кольца. Калориметры измеряют энергию и время прибытия (относительно времени инжекции) позитронов распада (и их количество) в результате распада мюона в накопительном кольце. После распада мюона на позитрон и два нейтрино позитрон получает меньше энергии, чем исходный мюон. Таким образом, магнитное поле сворачивается вовнутрь , где она попадет сегментированный свинец (II) , фтористый калориметр считано с помощью кремниевых фотоумножителей (КФ). [21]
В отслеживающие детекторы регистрируют траектории позитронов от распада мюонов в накопительном кольце. Трекер может обеспечивать измерение электрического дипольного момента мюона , но не непосредственно измерение магнитного момента. Основное назначение трекера - измерение профиля пучка мюонов, а также разрешение наложения событий (для уменьшения систематической погрешности измерения калориметром). [21]
Магнитное поле
Для измерения магнитного момента с точностью до миллиардных долей требуется однородное среднее магнитное поле с такой же точностью. Экспериментальная цель g −2 состоит в том, чтобы достичь уровня погрешности магнитного поля до 70 частей на миллиард, усредненного по времени и распределению мюонов. Единое поле1,45 Тл создается в накопительном кольце с использованием сверхпроводящих магнитов, и значение поля будет активно отображаться по всему кольцу с помощью датчика ЯМР на мобильной тележке (без нарушения вакуума). Калибровка тележки связана с ларморовской частотой протона в сферической пробе воды при эталонной температуре (34,7 ° C) и перекрестно откалибрована с новым магнитометром гелия-3. [21]
Получение данных
Важным компонентом эксперимента является система сбора данных (DAQ), которая управляет потоком данных от электроники детектора. Требование для эксперимента - получение необработанных данных со скоростью 18 ГБ / с. Это достигается за счет использования архитектуры параллельной обработки данных с использованием 24 высокоскоростных графических процессоров (NVIDIA Tesla K40) для обработки данных с 12-битных преобразователей сигналов. Настройка контролируется программной средой MIDAS DAQ. Система DAQ обрабатывает данные с 1296 калориметрических каналов, трех станций слежения за строуами и вспомогательных детекторов (например, счетчиков входных мюонов). Общий объем данных эксперимента оценивается в 2 ПБ. [22]
Сотрудничество
В эксперименте участвуют следующие университеты, лаборатории и компании: [23]
Университеты
- Бостонский университет
- Cornell University
- Университет Йоханнеса Гутенберга в Майнце
- Чикагский университет
- Иллинойсский университет в Урбана-Шампейн
- Университет Джеймса Мэдисона
- Корейский передовой институт науки и технологий ( KAIST )
- Университет Кентукки
- Ливерпульский университет
- Ланкастерский университет
- Университетский колледж Лондона
- Манчестерский университет
- Массачусетский университет
- Университет штата Мичиган
- университет Мичигана
- Университет Миссисипи
- Università del Molise
- Universita 'degli Studi di Napoli Федерико II
- Северный Центральный колледж
- Университет Северного Иллинойса
- Regis University
- Шанхайский университет Цзяо Тонг
- Технический университет Дрездена
- Università di Udine
- Университет Вирджинии
- Вашингтонский университет
Лаборатории
- Аргоннская национальная лаборатория
- Брукхейвенская национальная лаборатория
- Национальная ускорительная лаборатория Ферми
- Институт ядерной физики им. Будкера
- Istituto Nazionale di Fisica Nucleare
- Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
- Laboratori Nazionali di Frascati
- INFN, Сезон Неаполя
- INFN, Sezione di Pisa
- Институт фундаментальных наук , Южная Корея
Рекомендации
- ^ "Мюон g -2 Эксперимент" . Эксперимент с мюоном g − 2 . Фермилаб . Проверено 26 апреля 2017 года .
- ^ Гибни, Элизабет (13 апреля 2017 г.). «Большой момент мюонов может дать толчок новой физике». Природа . 544 (7649): 145–146. Bibcode : 2017Natur.544..145G . DOI : 10.1038 / 544145a . PMID 28406224 . S2CID 4400589 .
- ^ "Мюон g −2 Сотрудничество, чтобы разгадать тайну" . Мюон g −2 Эксперимент . Фермилаб . Проверено 30 апреля 2017 года .
- ^ «Первые результаты эксперимента Мюон g-2 в Фермилабе» . Фермилаб. 7 марта 2021 г.
- ^ «Мюон g −2 начинает вторую серию» . Phys.org. 26 марта 2019.
- ^ Прощай, Деннис (7 апреля 2021 г.). «Результаты исследований частиц могут нарушить известные законы физики - это еще не следующий бозон Хиггса. Но лучшее объяснение, по словам физиков, касается форм материи и энергии, которые в настоящее время неизвестны науке» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 7 апреля 2021 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Марк, Трейси (7 апреля 2021 г.). «Первые результаты эксперимента Фермилаба« Мюон g-2 »подтверждают наличие новой физики» . Фермилаб . Проверено 7 апреля 2021 года . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Фарли, Фрэнсис (2004). «Темная сторона мюона». В Луисе Альварес-Гауме (ред.). Бесконечно ЦЕРН: Воспоминания о пятидесятилетних исследованиях, 1954-2004 гг . Женева, Швейцария: Издания Сюзанны Хертер. С. 38–41. ISBN 978-2-940031-33-7. OCLC 606546795 .
- ^ "Архивы Мюонного g- эксперимента" . Архив ЦЕРН . 2007 . Проверено 4 марта 2020 года .
- ^ Чарпак, Жорж ; Гарвин, Ричард Л .; Фарли, Фрэнсис Дж. М .; Мюллер, Т. (1994). «Результаты эксперимента g −2» . В Кабиббо, Н. (ред.). Физика лептонов в ЦЕРНе и Фраскати . World Scientific. стр. 34 и сл. ISBN 9789810220785.
- ^ Комбли, Ф .; Фарли, FJM; Пикассо, Э. (1981). « Эксперименты ЦЕРН по мюонам ( g −2)» . Отчеты по физике . 68 (2): 93–119. DOI : 10.1016 / 0370-1573 (81) 90028-4 . ISSN 0370-1573 .
- ^ «Загадка мюона» . Европейская организация ядерных исследований (ЦЕРН) . Проверено 19 июля 2018 года .
- ^ Коллаборация Muon g-2; Беннетт, GW; Bousquet, B .; Браун, HN; Bunce, G .; Кэри, РМ; Cushman, P .; Дэнби, GT; Debevec, PT; Deile, M .; Дэн Х. (7 апреля 2006 г.). «Заключительный отчет об измерении аномального магнитного момента мюона E821 на BNL» . Physical Review D . 73 (7): 072003. arXiv : hep-ex / 0602035 . Bibcode : 2006PhRvD..73g2003B . DOI : 10.1103 / PhysRevD.73.072003 . S2CID 53539306 .
- ^ Фарли, Ф (2004). «47 лет мюона g − 2». Прогресс в физике элементарных частиц и ядерной физике . 52 (1): 1–83. Bibcode : 2004PrPNP..52 .... 1F . DOI : 10.1016 / j.ppnp.2003.09.004 . ISSN 0146-6410 .
- ^ Хольцбауэр, Дж. Л. (9 декабря 2016 г.). « Обзор и состояние эксперимента с мюоном g −2 по состоянию на июнь 2016 г.». Труды 12 - й Международной конференция по красоте, обаяние, и гипероны в адронный взаимодействиях (BEACH 2016): Фэйрфакс, штат Вирджиния, США, июнь 12-18, 2016 . XII Международная конференция по красоте, очарованию и гиперонам в адронных взаимодействиях . J. Phys. Конф. Сер . 770 . п. 012038. arXiv : 1610.10069 . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 770/1/012038 . Через inSPIRE
- ^ «Момент мюонного магнита наступил» (пресс-релиз). Фермилаб. 31 мая 2017 года.
- ^ Гон В. (15 ноября 2016 г.). « Эксперимент с мюонами g −2 в Фермилабе». 18 - й Международный семинар по нейтринных фабрик и будущее Neutrino Услуги Поиск (NuFact16) Куинен, Вьетнам, август 21-27, 2016 . (Для коллаборации Muon g'− 2). arXiv : 1611.04964 . Через inSPIRE
- ↑ Фермилаб (7 апреля 2021 г.) Первые результаты эксперимента Фермилаба с мюоном g-2 подтверждают наличие новой физики.
- ^ «Физики публикуют всемирный консенсус по расчету магнитного момента мюона» . Фермилаб. 11 июня 2020.
- ^ Герцог, Дэвид; Робертс, Ли (27 октября 2014 г.). «Накопитель мюона g − 2 начинает новую жизнь» . ЦЕРН Курьер . Проверено 26 апреля 2017 года .
- ^ а б в Grange, J .; и другие. (Коллаборация Muon g − 2) (27 января 2015 г.). « Отчет о техническом проектировании мюона ( г −2)». arXiv : 1501.06858 . Bibcode : 2015arXiv150106858G . Цитировать журнал требует
|journal=
( помощь ) Через inSPIRE - ^ Гон В. (15 ноября 2016 г.). «Сбор данных с помощью графических процессоров: DAQ для эксперимента с мюоном g −2 в Фермилабе». Труды 38 - я Международная конференция по физике высоких энергий (ICHEP 2016): Чикаго, штат Иллинойс, США, август 3-10, 2016 . (Для коллаборации Muon g − 2). п. 174. arXiv : 1611.04959 . Bibcode : 2016arXiv161104959G . DOI : 10.22323 / 1.282.0174 . Через inSPIRE
- ^ «Коллаборация мюонов g − 2» . Эксперимент с мюоном g − 2 . Фермилаб . Проверено 26 апреля 2017 года .
Внешние ссылки
- "Официальная публичная веб-страница g −2" . Батавия, Иллинойс : Фермилаб .