Het resultaat van het Muon g-2-experiment vertegenwoordigt ‘s werelds meest nauwkeurige meting tot nu toe van het afwijkende magnetische moment van een muon

De Muon g-2-samenwerking kondigde de langverwachte bijgewerkte meting aan. Het nieuwe resultaat komt overeen met het eerste resultaat van de samenwerking, aangekondigd in 2021 – twee keer zo nauwkeurig. Het is zelfs de meest nauwkeurige meting die ooit met een deeltjesversneller is gedaan.

De samenwerking bestaat uit 181 wetenschappers uit zeven landen en 33 instellingen, waaronder het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Het experiment, dat plaatsvindt in het Fermi National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, heeft tot doel de magnetische eigenschap te meten van een muon, een fundamenteel deeltje waarvan het gedrag kan wijzen op de aanwezigheid van nieuwe deeltjes of krachten.

Andere Argonne-wetenschappers van het Muon g-2-experiment zijn postdoctorale onderzoekers Yongyi Wu en Sam Grant, die zullen werken aan het vergroten van de nauwkeurigheid van magnetische veldbepalingen voor de resterende datasets. De samenwerking beschrijft de uitkomst in een paper die ze aan hen hebben voorgelegd Fysieke beoordelingsbrieven.

Muonen hebben een kwantummechanische eigenschap die spin wordt genoemd, waardoor ze zich gedragen als kleine magneten. Wanneer de muon in een magnetisch veld wordt geplaatst, knapt de interne magneet van de muon, zoals een tol oscilleert. De snelheid van deze oscillatie wordt bepaald door een grootheid die bekend staat als het magnetische moment, dat wetenschappers vertegenwoordigen met de letter “g”.

In het begin van de 21e eeuw mat een experiment in het Brookhaven National Laboratory van het Department of Energy het magnetische moment van een muon en vond een discrepantie tussen het experimentele resultaat en wat was voorspeld door het standaardmodel, het huidige begrip van wetenschappers van deeltjes en krachten in de universum. Het Fermilab Muon g-2-experiment is een recreatie van Brookhaven, ontworpen om tegenstrijdigheden met viervoudige precisie uit te dagen of te bevestigen.

“Met dit tweede resultaat hebben we de nauwkeurigheid met iets meer dan een factor twee verbeterd ten opzichte van zowel het Brookhaven-experiment als het eerste resultaat”, zegt Peter Winter, Argonne-natuurkundige, woordvoerder van de Muon g-2-samenwerking. “We liggen op schema om de maximale nauwkeurigheid tegen het einde van onze analyse met een factor vier te verbeteren.”

Tijdens het experiment reist een bundel muonen honderden tot duizenden keren rond een grote holle ring onder invloed van een sterk magnetisch veld. Wanneer de muonen met bijna de lichtsnelheid rond de ring draaien, zorgt het magnetische veld ervoor dat hun rotatie versnelt, en de stroom van zogenaamde virtuele deeltjes beïnvloedt deze precessie. Wetenschappers bepalen ‘g’ door de draaiende golven van muonen te detecteren en door heel precies de sterkte van het magnetische veld in de ring te meten.

Op het eenvoudigste niveau voorspelt de theorie dat “g” twee is. Maar subtiele effecten van virtuele deeltjes die in en uit het bestaan ​​springen, kunnen de draaibeweging van het muon beïnvloeden, waardoor de echte “g” iets groter is dan twee. De samenwerking meet dit verschil, vandaar de naam Muon g-2 (uitgesproken als Muon g min twee).

“Elk bestaand deeltje speelt een rol in hoe een muon zich gedraagt ​​in een magnetisch veld”, zegt Yuri Oksozyan, Argonne associate natuurkundige, productiemanager voor het Muon g-2-project. “In plaats van te proberen deze virtuele deeltjes direct waar te nemen, meten we hun effect op het gedrag van de muon.”

Het nieuwe experimentele resultaat voor g-2 is 0,00233184110. De meting verbetert het gerapporteerde resultaat in 2021 met een ongekende nauwkeurigheid van in totaal 0,20 ppm. Het omvat gegevens die tijdens de eerste drie jaar van het zes experiment zijn verzameld.

Er zijn twee onzekerheden die de algehele nauwkeurigheid van de meting beïnvloeden. Statistische onzekerheid hangt af van de hoeveelheid gegevens die wordt geanalyseerd; Hoe meer gegevens, hoe zekerder de wetenschappers zijn van hun bevindingen. De statistische onzekerheid was +/- 0,00000000043. Met minder dan de helft van de totale geanalyseerde gegevens, is het team al halverwege het bereiken van het uiteindelijke doel van statistische onzekerheid.

“We hebben een enorme dataset verzameld – meer dan 21 keer de grootte van de Brookhaven-dataset”, zegt Oksouzian, die de leiding heeft over het verwerken en voorbereiden van de grote hoeveelheid gegevens voor analyse. De samenwerking heeft als doel om de komende jaren alle zes jaar data samen te voegen.

De andere factor, methodologische onzekerheid, is gebaseerd op experimentele gebreken die Muon g-2-wetenschappers de afgelopen jaren hard hebben proberen te minimaliseren. Deze onzekerheid was +/- 0,00000000019.

“We doen er alles aan om het meeste uit deze metingen te halen”, zegt Simon Corody, een associate fysicus bij Argonne die de analyse leidde als veldanalysecoördinator en operations manager voor Muon g-2. “Nu hebben we een totale systemische onzekerheid van 70 ppb bereikt, veel meer dan ons uiteindelijke doel van minder dan 100 ppb.” Korodi zal nu optreden als co-facilitator voor de analyse van de resterende grote datasets.

Een van de belangrijkste bijdragen van de Argonne-wetenschappers was de nauwkeurige meting van de magnetische veldsterkte rond de ring. Hoewel de muonen door een indrukwekkend stabiel magnetisch veld reizen, veroorzaken veranderingen in de omgevingstemperatuur en invloeden van de instrumenten van het experiment kleine variaties in het veld. Om deze verschillen te meten, installeerden de wetenschappers honderden sondes op de wanden van de ring. Ook stuurden ze om de paar dagen een kar vol sondes over het circuit.

Om ervoor te zorgen dat de sondes nauwkeurige metingen gaven, kalibreerden de wetenschappers ze met behulp van de Solenoid Magnet Test Facility in Argonne. Deze faciliteit heeft wetenschappers in staat gesteld veldmetingen uit te voeren tot slechts enkele delen per miljard, zoals het meten van het watervolume in een zwembad tot op de druppel.

In de komende jaren zal een samenwerking van theoretische en experimentele natuurkundigen, bekend als het Muon g-2 Theory Initiative, hard werken om de spanning op te lossen tussen twee methoden voor het berekenen van de standaardmodelvoorspelling van g-2. In 2020 kondigde het initiatief de beste standaardmodelvoorspelling van g-2 aan die op dat moment beschikbaar was. Maar een nieuwe berekening op basis van een andere theoretische benadering – netwerkschaaltheorie – komt niet overeen met de berekeningen voor 2020.

“Onze nauwkeurige meting is nu nog belangrijker omdat we proberen de theoretische discrepantie te begrijpen,” zei Korodi. “Het is een mooi voorbeeld van de dialoog tussen theorie en ervaring.”