Самое точное в мире измерение аномального магнитного момента мюона
Коллаборация Muon g-2 объявила о своем долгожданном обновленном измерении. Новый результат совпадает с первым результатом сотрудничества, объявленным в 2021 году, и он вдвое точнее. На самом деле, это самое точное измерение, когда-либо сделанное с использованием ускорителя частиц. В состав коллаборации входит 181 ученый из семи стран и 33 учреждений, включая Аргоннскую национальную лабораторию Министерства энергетики США. Эксперимент проводится в Национальной ускорительной лаборатории Ферми при Министерстве энергетики США и направлен на измерение магнитных свойств мюона, фундаментальной частицы, поведение которой может указывать на существование новых частиц или взаимодействий.
Типичные вариации магнитного поля, нанесенные на карту тележкой в разных положениях накопительного кольца эксперимента Muon g-2.
Предоставлено: Аргоннская национальная лаборатория.
Другими аргоннскими учеными, участвующими в эксперименте Muon g-2, являются исследователи с докторской степенью Йонги Ву и Сэм Грант, которые будут максимально точно определять магнитное поле для оставшихся наборов данных. Сотрудничество описывает результат в статье, которую они представили в Physical Review Letters.
Мюоны обладают квантово-механическим свойством, называемым спином, которое заставляет их действовать как крошечный магнит. Когда он помещается в магнитное поле, внутренний магнит мюона прецессирует, подобно раскачиванию волчка. Скорость этого колебания определяется величиной, известной как магнитный момент, который ученые обозначают буквой «g».
В начале 2000-х эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США измерил магнитный момент мюона и обнаружил несоответствие между экспериментальным результатом и тем, что было предсказано Стандартной моделью, текущим пониманием ученых о частицах и силах во Вселенной. Эксперимент Фермилаб Мюон g-2 является воссозданием эксперимента Брукхейвена, созданным для того, чтобы бросить вызов или подтвердить несоответствие с четырехкратной точностью.
«Благодаря этому второму результату мы улучшили точность чуть более чем в два раза по сравнению с экспериментом в Брукхейвене, так и с нашим первым результатом», — сказал аргоннский физик Питер Винтер, соавтор коллаборации Muon g-2. «Мы находимся на правильном пути к повышению предельной точности в четыре раза к концу нашего анализа».
Во время эксперимента пучок мюонов проходит от сотен до тысяч раз вокруг большого полого кольца под действием сильного магнитного поля. Когда мюоны вращаются вокруг кольца со скоростью, близкой к скорости света, магнитное поле вызывает прецессию их спинов, и на эту прецессию влияет поток так называемых виртуальных частиц. Ученые определяют «g», обнаруживая прецессии спинов мюонов и чрезвычайно точно измеряя напряженность магнитного поля в кольце.
На простейшем уровне теория предсказывает, что «g» равно двум. Но тонкое влияние виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих, может повлиять на прецессию спина мюона, в результате чего его истинное «g» будет чуть больше двух. Сотрудничество измеряет эту разницу, отсюда и название Muon g-2 (произносится как Muon g минус два).
«Каждая существующая частица играет роль в том, как мюон ведет себя в магнитном поле», — сказал помощник физика из Аргонны Юрий Оксузиан, руководитель производства коллаборации Muon g-2. «Вместо того, чтобы пытаться наблюдать эти виртуальные частицы напрямую, мы измеряем их влияние на поведение мюона ».
Новый экспериментальный результат для g-2 равен 0,00233184110. Измерение подтверждает результат, объявленный в 2021 году, с беспрецедентной точностью 0,20 частей на миллион в целом. Он включает данные, полученные в течение первых трех из шести лет эксперимента.
Два типа неопределенности влияют на общую точность измерения. Статистическая неопределенность зависит от количества анализируемых данных; чем больше данных, тем более уверены ученые в своем результате. Статистическая неопределенность составила +/- 0,00000000043. Проанализировав менее половины всех данных, команда уже на полпути к достижению конечной цели статистической неопределенности.
«Мы собрали огромный набор данных — более чем в 21 раз больше, чем набор данных Брукхейвена», — сказал Оксузиан, который возглавляет работу по обработке и подготовке большого объема данных для анализа. Сотрудничество направлено на то, чтобы объединить данные за все шесть лет в течение следующих нескольких лет.
Другой фактор, систематическая неопределенность, основан на экспериментальных несовершенствах, над минимизацией которых усердно работали ученые Muon g-2 в течение последних нескольких лет. Эта неопределенность составила +/- 0,00000000019.
«Мы делаем все возможное, чтобы извлечь максимальную пользу из этих измерений», — сказал ассистент физика из Аргонны Саймон Корроди, который руководил анализом в качестве координатора полевого анализа и руководителя операций Muon g-2. «Теперь мы достигли общей систематической неопределенности в 70 частей на миллиард, что намного превышает нашу конечную цель — менее 100 частей на миллиард». Корроди теперь будет координировать анализ оставшихся больших наборов данных.
Одним из основных вкладов аргоннских ученых стало точное измерение напряженности магнитного поля вокруг кольца. Хотя мюоны путешествуют через впечатляюще постоянное магнитное поле, изменения температуры окружающей среды и воздействие оборудования эксперимента вызывают небольшие колебания поля. Чтобы измерить эти вариации, ученые установили на стенках кольца сотни зондов. Они также каждые несколько дней отправляли по рингу тележку , полную зондов.
Чтобы датчики давали точные показания, ученые калибруют их с помощью испытательного стенда соленоидного магнита в Аргонне. Установка позволила ученым проводить полевые измерения с точностью до нескольких частей на миллиард — это похоже на измерение объема воды в плавательном бассейне с точностью до капли.
В течение следующих нескольких лет сотрудничество физиков-теоретиков и физиков-экспериментаторов, известное как Инициатива по теории мюона g-2, будет усердно работать над устранением противоречий между двумя способами расчета, предсказанного Стандартной моделью для g-2. В 2020 году инициатива объявила о лучшем прогнозе Стандартной модели для g-2, доступном на тот момент. Но новый расчет, основанный на другом теоретическом подходе — калибровочной теории решетки — расходится с расчетом 2020 года.
«Наши точные измерения теперь еще более важны, поскольку мы пытаемся понять несоответствие теории», — сказал Корроди. «Это прекрасный пример диалога между теорией и экспериментом».
