Спин мюонов расскажет о неизвестных частицах
Ученые из Министерства энергетики США (DOE) и национальных лабораторий сотрудничают, чтобы проверить магнитное свойство мюона. Их эксперимент может указать на существование физики за пределами нашего текущего понимания, включая неоткрытые еще частицы.
Эксперимент следует за предыдущим экспериментом, который начался в 1999 году в Брукхейвенской Национальной лаборатории, в которой ученые измерили прецессию спина мюона, т. е. скорость, с которой его спин меняет направление.
Ученые из Аргоннской Национальной лаборатории и национальной Ускорительной лаборатории Ферми, наряду с сотрудниками из более чем 25 других учреждений, воссоздают эксперимент с гораздо более высокой точностью, чтобы подтвердить или опровергнуть предыдущие результаты.
Мюон похож на (очень) старшего брата электрона; у них тот же заряд, но мюон более чем в 200 раз массивнее. Они также имеют один и тот же спин, квантово-механическое свойство, которое определяет поведение частицы в присутствии магнитного поля.
Частицы со спином действуют как крошечные магниты, и когда они помещаются в магнитное поле, их спины изменяют направление кругового движения, подобно вращающемуся гироскопу. Скорость прецессии спина частицы определяется величиной, известной как ее «g-фактор», которая зависит от спина частицы и силы магнитного поля, в котором она движется.
В современных квантово-механических теориях вакуум не пуст. Он полон пузырьков так называемых виртуальных частиц, появляющихся и исчезающих очень быстро. Взаимодействия между этими виртуальными частицами и реальной частицей, такой как мюон, могут изменить то, как реальная частица взаимодействует с магнитным полем, влияя на его g-фактор.
Физики-теоретики рассчитали, основываясь на нашем текущем понимании фундаментальной структуры природы, все способы, которыми каждая известная частица влияет на g-фактор мюона, но измерения, которые ученые Брукхейвена получили, отличались от того, что они ожидали, на несколько частей на миллион. Эта разница, если она сохранится в новом эксперименте, укажет на совершенно новую физику — захватывающее открытие для физиков частиц.
«Если на самом деле существует несоответствие между предсказанными и измеренными значениями, это еще одно доказательство того, что Стандартная модель, наше текущее понимание содержания Вселенной, является неполной», — сказал физик Аргонн Питер Уинтер. «Неожиданный эффект может быть вызван неоткрытой частицей.»
В новом эксперименте, расположенном в [simple_tooltip content=’
Национальная ускорительная лаборатория им. Энрико Ферми (более распространено сокращённое наименование Фермилаб) расположена в городке Батавия недалеко от Чикаго (Иллинойс, США).
Принадлежит Министерству энергетики США. Специализируется на исследованиях в области физики высоких энергий, астрофизике и ускорительных технологиях.
С 1 января 2008 Фермилаб управляется Исследовательским альянсом Ферми, организованным Чикагским университетом и Исследовательской ассоциацией университетов (URA). URA — консорциум, состоящий из 91 исследовательского университета, в основном из США, но есть также члены из Канады, Японии и Италии.’ ]Фермилабе[/simple_tooltip], луч будет перемещаться по кругу через большое полое кольцо из-за наличия сильного магнитного поля. То же магнитное поле также приведет к прецессии мюонных спинов, пока они кружатся вокруг кольца. Ученые cмогут вычислить g-фактор, обнаружив прецессию спина мюонов и зная напряженность магнитного поля в кольце.
Для того чтобы достигнуть желанной точности, и частота прецессии и прочность магнитного поля должны быть измерены с неопределенностями около 70 частей на миллиард. Исследовательская группа в Аргонне взяла на себя ответственность за измерение магнитного поля с такой высокой точностью. «Суть нашего эксперимента заключается в том, чтобы контролировать любую систематическую неопределенность, которая может исказить наши точные измерения», — сказал Уинтер.
Этот уровень точности требует очень чувствительных приборов, которые ученые откалибрировали, используя сильно стабилизированные и изолированные поля, произведенные повторно использованными магнитно-резонансными машинами.
После того, как они откалибровали зонды, ученые поместили 17 из них на круглую тележку, которая движется вокруг кольца в Фермилабе. Вагонетка измеряет поле на 10.000 пунктах, создавая карту прочности поля в кольце.
«Эта тележка должна двигаться в вакууме, — сказал Ран Хонг, постдокторант по исследованию, — поэтому контролировать ее движение и получать данные от зондов очень сложно.»
Для того чтобы нарушить поле как можно меньше, только одиночный изолированный кабель сигнала соединяет вагонетку с внешним миром. Этот кабель посылает информацию к вагонетке для того чтобы направить ее вокруг петли, и он посылает данные от зондов назад к диспетчерскому пункту.
Старая система, используемая в Брукхейвене для эксперимента лаборатории, передавала информацию с помощью аналогового сигнала, но ученые и инженеры Аргонны оцифровали сигнал, чтобы увеличить количество полученных данных. «Доступ к большему количеству исходных данных позволяет лучше анализировать, и это привело к 10-кратному увеличению точности», — сказал Уинтер.
Из-за большого цифрового массива данных, кабель может только послать информацию в одном направлении одновременно. «Мы должны переключаться между отправкой инструкций тележки и получением данных», — сказал Хонг. «Каждые 20 миллисекунд направление меняется.»
Ученые создают эксперимент «Мюон g-2» уже в течение шести лет. В этом году они начнут принимать официальные данные. Эксперимент будет длиться месяцами, измеряя прецессию спина приблизительно триллиона мюонов. Каждые два-три дня эксперимент будет приостанавливаться, чтобы тележка могла измерить поле, а меньшие зонды за пределами вакуумной камеры будут оценивать поле в любое время во время эксперимента.
«В отличие от крупномасштабных экспериментов, которые пытаются обнаружить неизвестные частицы напрямую, наш подход заключается в поиске косвенных эффектов, которые изменяют что-то в очень малых масштабах», — сказал Уинтер. «Очень точно измеряя этот фактор, мы можем сделать вывод, есть ли что-то новое.»
Если новые данные подтвердят предыдущие измерения, ученые планируют провести эксперимент с еще большей точностью. Анализ этих новых данных может дать представление о природе новой физики и указать, какой детектор должен быть построен для непосредственного наблюдения потенциальных новых частиц.