Współpraca Muon g-2 zwiększa dokładność najnowszych pomiarów

Eksploruj niezbadane terytorium w poszukiwaniu nowej fizyki

Zespół Muon G-2 Collaboration ogłosił dziś nowy, bardzo oczekiwany wynik pomiaru anomalnego momentu magnetycznego mionu. Wynik jest zgodny z wynikiem pierwszej rundy pomiarów, ale dokładność jest poprawiona o czynnik 2 w porównaniu z poprzednim wynikiem. Ten najdokładniejszy jak dotąd pomiar anomalnego momentu magnetycznego mionu został zaprezentowany na sympozjum w Fermilab (FNAL) i przesłany do publikacji w prestiżowym Physical Review Letters.

Grupa badawcza prof. dr. Martina Viertela, który prowadził badania z zakresu fizyki cząstek niskoenergetycznych w Klastrze Doskonałości PRISMA⁺ Na Uniwersytecie Johannesa Gutenberga w Moguncji (JGU) od 2019 roku jako jedyny w Niemczech uczestniczy we współpracy z mionem g-2 z wkładem eksperymentalnym. Sam Martin Viertel rozpoczął pracę nad eksperymentem z mionem g-2 w 2014 roku jako pracownik naukowy z tytułem doktora na Uniwersytecie Waszyngtońskim w Seattle, a dziś jest dla niego wyjątkowy dzień. „Nowa wartość, którą mogliśmy dzisiaj ogłosić, wspiera pierwszy wynik, który ogłosiliśmy w kwietniu 2021 r.” – powiedział Martin Viertel. „Zbliża fizykę cząstek elementarnych do ostatecznej konfrontacji między teorią a eksperymentem, która może ujawnić nowe cząstki lub siły. Na to czekaliśmy od ponad 20 lat”.

Nowy wynik podwaja celność

Nowy wynik empiryczny g-2 (wyjaśnienie poniżej) opiera się na danych z pierwszych trzech lat od 2018 r., to znaczy zawiera nowo ocenione dane z drugiego i trzeciego przebiegu, a także dane z pierwszego przebiegu już opublikowane w 2021 r. W sumie zmierzono w tym celu ponad 40 miliardów mironów. Wynik to:

g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (statystyka) +/- 0,00000000019 (system)

Miara g-2 odpowiada zatem ogólnej dokładności 200 części na miliard – w porównaniu z 460 częściami na miliard uzyskanymi dzięki analizie pierwszych 6 procent danych i ogłoszonej w kwietniu 2021 r. Dzięki temu ostatniemu pomiarowi mion g-2 Współpraca osiągnęła już przed terminem jeden z najważniejszych celów, jakim jest zmniejszenie określonego rodzaju niepewności: niepewności spowodowanej niedoskonałościami eksperymentalnymi, znanej jako niepewność systematyczna.

„To wspaniałe osiągnięcie eksperymentalne” — powiedział dr Rene Riemann, doktor habilitowany w grupie badawczej Martina Wiertela, wraz z doktorantem Muhammadem Obaidullahem Hassanem Qureshi, którzy byli mocno zaangażowani w analizę pola magnetycznego w warunkach eksperymentalnych. Chociaż systematyczna niepewność wynosząca 68 części na miliard przekroczyła już cel projektowy, większy aspekt niepewności — niepewność statystyczna — zależy od ilości analizowanych danych. Tak więc ogłoszony dzisiaj wynik rzeczywiście dodaje dane z dwóch lat do pierwszego wyniku. Eksperyment Fermilab osiągnie ostateczną niepewność statystyczną, gdy naukowcy włączą dane ze wszystkich sześciu lat do swojej analizy, którą współpraca ma zakończyć w ciągu najbliższych dwóch lat. „Nasz cel osiągnięcia ogólnej dokładności 140 części na miliard w nowym eksperymencie z mionem g-2, który jest czterokrotnie wyższy niż w poprzednim eksperymencie w Brookhaven National Laboratory, wydaje się zatem bardzo realistyczny” – podsumowuje Muhammad Obaidullah Hassan Qureshi. .

Miony jako obiekty testowe dla nowej fizyki – co oznacza g-2?

Fizycy opisują, jak wszechświat działa na swoim najbardziej podstawowym poziomie, za pomocą teorii znanej jako Model Standardowy. Dokonując przewidywań na podstawie Modelu Standardowego i porównując je z wynikami eksperymentów, fizycy mogą stwierdzić, czy teoria jest kompletna — czy też istnieje fizyka poza Modelem Standardowym. Anomalny moment magnetyczny mionu jest bardzo ważną subtelnością, którą należy zaobserwować w tym kontekście, co stanowi jeden z najbardziej obiecujących testów Modelu Standardowego. Przez wiele lat istniała tu sprzeczność i najważniejsze pytanie brzmi, czy jest to „prawdziwe”, czy „tylko” konsekwencja systemowej niepewności w teorii i eksperymencie.

Miony to podstawowe cząstki, które są podobne do elektronów, ale są około 200 razy większe i żyją tylko przez jedną milionową sekundy. Podobnie jak elektron, mion ma moment magnetyczny, który jest rodzajem miniaturowego wewnętrznego magnesu prętowego, który przesuwa się lub oscyluje w obecności pola magnetycznego, podobnie jak oś bączka. Szybkość ruchu w danym polu magnetycznym zależy od momentu magnetycznego mionu, który zwykle oznacza się literą g; Na najprostszym poziomie teoria przewiduje, że g musi być równe 2.

Eksperyment z mionem g-2 wywodzi swoją nazwę od faktu, że „g” mionu zawsze nieznacznie odbiega — o około 0,1 procent — od prostego oczekiwania g = 2. Ta anomalia jest powszechnie nazywana anomalnym momentem magnetycznym mionu (a = (g -2)/2). Różnicę g od 2 – lub g minus 2 – można przypisać oddziaływaniom mionu z cząstkami w otaczającej je pianie kwantowej. Cząsteczki te pojawiają się i znikają, i podobnie jak subatomowi „partnerzy do tańca” trzymają „rękę” mionu i zmieniają sposób, w jaki mion oddziałuje z polem magnetycznym. Model standardowy obejmuje wszystkie znane cząstki „partnerów tanecznych” i przewiduje, jak zmieni się pianka kwantowa g. Ale może być więcej. Fizycy są podekscytowani możliwą obecnością jeszcze nieodkrytych cząstek, które przyczyniają się do wartości g-2 – i otworzy to okno do odkrywania nowej fizyki.

Tor wyścigowy Muon

Eksperyment z mionem g-2 mierzy częstotliwość obrotu „wewnętrznej igły kompasu” mionów w polu magnetycznym, a także samo pole magnetyczne i określa ilościowo anomalny moment magnetyczny z niego. Promień mionowy w kampusie mionowym FNAL jest generowany specjalnie na potrzeby eksperymentu – ma niespotykaną dotąd czystość.

Aby dokonać pomiaru, współpraca mionu g-2 wysyłała tę wiązkę mionów wielokrotnie do nadprzewodzącego magnetycznego pierścienia magazynującego o średnicy 50 stóp, gdzie obracała się średnio około 1000 razy z prędkością bliską prędkości światła. Korzystając z detektorów rozmieszczonych w pierścieniu, naukowcy byli w stanie określić prędkość, z jaką igły kompasu mionowego poruszały się względem ich trajektorii. Fizycy muszą też dokładnie zmierzyć natężenie pola magnetycznego, aby określić wartość g-2. Na tym polega ekspertyza Martina Fertla i jego grupy badawczej: niezwykle precyzyjny pomiar pola magnetycznego w pętli akumulacji mionów przez cały kilkuletni okres pomiarowy. W swoim poprzednim miejscu pracy Martin Viertel kierował rozwojem zestawu bardzo czułych magnetometrów opartych na zasadzie impulsowego NMR do tego celu. Kilkaset takich głowic pomiarowych jest zainstalowanych w ścianach komór próżniowych otaczających miony. Kolejnych 17 głowic pomiarowych zdalnie obraca się wokół pierścienia do przechowywania, który ma średnicę 50 stóp, aby dokładniej mierzyć przyłożone pole magnetyczne. „Aby osiągnąć nasz dokładny cel, musimy być w stanie zmierzyć pole magnetyczne, w którym poruszają się miony, z dokładnością do 70 części na miliard” – mówi Martin Viertel.

W eksperymencie Fermilab ponownie wykorzystano pierścień magazynujący pierwotnie zbudowany dla wcześniejszego eksperymentu Muon g-2 w National Laboratory w Brookhaven w Departamencie Energii, który zakończył się w 2001 r. W 2013 r. współpraca przeniosła pierścień magazynujący 3200 mil z Long Island w stanie Nowy Jork do Batavii , Illinois. Po czterech latach tworzenia zbieranie danych rozpoczęło się w 2018 r. i od tego czasu doświadczenie stale się poprawia.

Oprócz obecnie opublikowanych pomiarów z pierwszych trzech lat, w badaniu zebrano dane z kolejnych trzech lat. Wreszcie, 9 lipca 2023 r., współpraca zatrzymała promień mionowy, kończąc eksperyment po sześciu latach zbierania danych. Osiągnęli cel, jakim było zebranie zbioru danych ponad 21 razy większego niż zbiór danych Brookhaven.

Czy istnieje sprzeczność między teorią a doświadczeniem?

Fizycy mogą z niewiarygodną dokładnością obliczyć wpływ dobrze znanych „partnerów tanecznych” Modelu Standardowego na mion g-2. Obliczenia uwzględniają oddziaływania elektromagnetyczne, słabe i silne, w tym fotony, elektrony, kwarki, gluony, neutrina, bozony W i Z oraz bozon Higgsa. Jeśli model standardowy jest poprawny, ta superdokładna prognoza powinna być zgodna z pomiarem eksperymentalnym.

Obliczenie przewidywania modelu standardowego dla mionu g-2 jest bardzo trudne. W 2017 r. ponad 130 fizyków z całego świata przyłączyło się do inicjatywy „Muon g-2 Theory Initiative”, aby wspólnie stawić czoła temu wyzwaniu, wśród nich prof. dr Hartmut Wittig, fizyk teoretyczny i prelegent w Cluster of Excellence PRISMA⁺, który jako członek Komitetu Sterującego reprezentuje działalność Moguncji w dziedzinie predykcji teoretycznej. W 2020 roku inicjatywa ogłosiła najlepszą dostępną wówczas prognozę modelu standardowego mionu g-2. Ale nowa empiryczna miara danych, która zasila prognozę, oraz nowe obliczenia oparte na innym podejściu teoretycznym — teorii skali sieci — stoją w sprzeczności z obliczeniami na rok 2020. Naukowcy z inicjatywy teorii mionu g-2 dążą do tego, aby nowa i ulepszona prognoza była dostępna w przez następne dwa lata, który uwzględnia oba podejścia teoretyczne.

Współpraca z Mionem g-2

Projekt Muon g-2 skupia prawie 200 naukowców z 33 instytucji w siedmiu krajach i obejmuje prawie 40 studentów, którzy uzyskali stopień doktora na podstawie pracy nad eksperymentem. Współpracownicy spędzą teraz następne dwa lata analizując dane z ostatnich trzech lat, w końcu spodziewając się kolejnego współczynnika dokładności wynoszącego dwa. Współpraca ma na celu opublikowanie ostatecznego i najdokładniejszego pomiaru momentu magnetycznego mionu w 2025 r. – oznaczającego ostateczną konfrontację między teorią Modelu Standardowego a eksperymentem. Do tego czasu fizycy mają nowy i ulepszony pomiar mionu G2, który jest ważnym krokiem w kierunku jego ostatecznego celu fizycznego.