Мюон g − 2 (произносится как «джи минус два») — эксперимент по физике элементарных частиц в Фермилабе, целью которого является измерение аномального магнитного дипольного момента мюона с точностью до 0,14 ppm [1] , что является чувствительным тестом Стандартной модели . [2] Он также может предоставить доказательства существования новых частиц. [3] [4] [5]
Мюон, как и его более легкий брат электрон, действует как крошечный магнит. Параметр, известный как « g -фактор », показывает, насколько силен магнит и какова скорость его вращения во внешнем магнитном поле. Именно эта скорость вращения косвенно измеряется в эксперименте с мюоном g − 2.
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 узнают, согласуется ли эксперимент с теорией. Любое отклонение укажет на пока еще не открытые субатомные частицы, которые существуют в природе. [6]
9 июля 2023 года коллаборация Fermilab завершила эксперимент после шести лет сбора данных. [7] Первоначальные результаты (основанные на данных первого года работы эксперимента) были опубликованы 7 апреля 2021 года. [8] [9] [10] Результаты первых трех лет сбора данных были объявлены в августе 2023 года. [4] [5] Окончательные результаты, основанные на полных шести годах сбора данных, планируется опубликовать в 2025 году. [7]
Первые эксперименты с мюоном g − 2 начались в ЦЕРНе в 1959 году по инициативе Леона М. Ледермана . [11] [12] [13] Группа из шести физиков организовала первый эксперимент, используя синхроциклотрон в ЦЕРНе. Первые результаты были опубликованы в 1961 году [14] с точностью 2% относительно теоретического значения, а затем вторые результаты с точностью 0,4%, тем самым подтвердив теорию квантовой электродинамики.
Второй эксперимент начался в 1966 году с новой группой, работавшей на этот раз с протонным синхротроном , также в ЦЕРНе. Результаты были тогда в 25 раз точнее предыдущих и показали количественное расхождение между экспериментальными значениями и теоретическими, и, таким образом, потребовали от физиков пересчитать их теоретическую модель.
Третий эксперимент, начатый в 1969 году, опубликовал свои окончательные результаты в 1979 году [15], подтвердив теорию с точностью 0,0007%.
В 1984 году эксперимент g − 2 переняли Соединенные Штаты. [16]
Следующий этап исследований мюонного g − 2 был проведен на синхротроне с переменным градиентом Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) ; эксперимент был известен как эксперимент ( BNL ) Muon E821 , [17] но его также называли «мюонный эксперимент в BNL» или «(мюон) g − 2 в BNL» и т. д. [7] Эксперимент Брукхейвена Muon g − 2 строился с 1989 по 1996 год и собирал данные с 1997 по 2001 год. [18]
Эксперимент был проведен аналогично последнему из экспериментов CERN с целью получения в 20 раз лучшей точности. Метод включал хранение мюонов 3,094 ГэВ в однородном измеренном магнитном поле и наблюдение разницы прецессии спина мюона и частоты вращения посредством обнаружения электронов распада мюона. Повышение точности в решающей степени зависело от гораздо более интенсивного пучка, чем было доступно в CERN, и инжекции мюонов в накопительное кольцо, тогда как предыдущие эксперименты CERN инжектировали пионы в накопительное кольцо, из которых только небольшая часть распадалась на мюоны, которые хранились. Эксперимент использовал гораздо более однородное магнитное поле с использованием сверхферритового сверхпроводящего накопительного кольцевого магнита, пассивного сверхпроводящего инфлекторного магнита, быстрых мюонных кикеров для отклонения инжектированных мюонов на хранимые орбиты, тележки ЯМР с пучковой трубкой, которая могла отображать магнитное поле в области хранения, и множество других экспериментальных достижений. Эксперимент включал данные с положительными и отрицательными мюонами между 1997 и 2001 годами. Его конечный результат - μ = ( g − 2)/2 = 11659208,0(5,4)(3,3) × 10 −10 , полученный путем объединения последовательных результатов с аналогичной точностью от положительных и отрицательных мюонов. [19]
Фермилаб продолжает эксперимент, проводимый в Брукхейвене [20] для измерения аномального магнитного дипольного момента мюона . Эксперимент в Брукхейвене завершился в 2001 году, но десять лет спустя Фермилаб, способный производить более чистый пучок мюонов, чем Брукхейвен, приобрел оборудование. [21] Цель состоит в том, чтобы провести более точное измерение (меньшее σ ), которое либо устранит расхождение между результатами Брукхейвена и предсказаниями теории, либо подтвердит его как экспериментально наблюдаемый пример физики за пределами Стандартной модели .
Магнит был отремонтирован и запущен в сентябре 2015 года, и было подтверждено, что его базовая однородность магнитного поля осталась на уровне 1,3 ppm , как и до переезда.
По состоянию на октябрь 2016 года магнит был перестроен и тщательно отрегулирован для создания высокооднородного магнитного поля. Новые усилия в Fermilab привели к трехкратному улучшению общей однородности, что важно для нового измерения с его более высокой точностью. [22]
В апреле 2017 года коллаборация готовила эксперимент для первого производственного запуска с протонами – для калибровки детекторных систем. Магнит получил свой первый пучок мюонов на новом месте 31 мая 2017 года. [23] Сбор данных планировалось вести до 2020 года. [24]
7 апреля 2021 года были опубликованы результаты эксперимента 1: a μ =0,001 165 920 40 (54) . Новые экспериментальные мировые средние результаты, объявленные коллаборацией Muon g − 2, таковы: g -фактор:2.002 331 841 22 (82) , аномальный магнитный момент:0,001 165 920 61 (41) . Объединенные результаты из Fermilab и Brookhaven показывают разницу с теорией при значимости 4,2 сигма (или стандартного отклонения), немного ниже 5 сигм, которые физики частиц требуют, чтобы заявить об открытии, но все еще являются доказательством новой физики. Вероятность того, что статистическая флуктуация даст столь же поразительные результаты, составляет около 1 из 40 000. [10]
Сбор данных завершился 9 июля 2023 года, когда коллаборация отключила мюонный пучок, завершив эксперимент после шести лет сбора данных. 10 августа 2023 года были объявлены результаты запусков 1, 2 и 3 (то есть первых трех лет сбора данных), что дало новое мировое среднее значение μ =0,001 165 920 59 (22) , что представляет собой улучшение на два коэффициента ошибки по сравнению с результатами 2021 года. [17] Хотя этот экспериментальный результат имеет отклонение в 5,1 сигма от предсказания теории Стандартной модели 2020 года, он отличается всего лишь примерно на 1 сигма от предсказания, полученного в результате недавних расчетов решетки. Это расхождение между экспериментом и теорией изучается далее. [4] [5]
Эксперимент в Фермилабе достигнет своего окончательного, наиболее точного измерения магнитного момента мюона, как только ученые включат в свой анализ все данные за шесть лет; окончательный результат планируется опубликовать в 2025 году. [7]
Фактор g заряженного лептона ( электрона , мюона или тау ) очень близок к 2. Разница от 2 («аномальная» часть) зависит от лептона и может быть вычислена довольно точно на основе текущей Стандартной модели физики элементарных частиц . Измерения фактора g электрона прекрасно согласуются с этим вычислением. Эксперимент в Брукхейвене провел это измерение для мюонов, гораздо более технически сложное измерение из-за их короткого времени жизни, и обнаружил дразнящее, но не окончательное, расхождение между измеренным значением и предсказанием Стандартной модели. [25]
Расчет предсказания Стандартной модели g -фактора мюона чрезвычайно сложен, и существует несколько различных подходов. Основная трудность заключается в том, что на значение влияют виртуальные адроны . [26]
В 2020 году Muon g − 2 Theory Initiative опубликовала свое вычисленное консенсусное значение g- фактора мюона , основанное на пертурбативных методах. [27] [28] В 2021 году коллаборация Будапешт-Марсель-Вупперталь (BMW) опубликовала результаты вычислений g- фактора на решетке КХД [29] [30] , которые находились между экспериментальным значением, полученным в Fermilab, и теоретическим значением, рассчитанным Muon g − 2 Theory Initiative. Последующие работы группы Coordinated Lattice Simulations (CLS) [31] [32] и European Twisted Mass Collaboration (ETMC) [33] [34] приблизились каждая к теоретическому значению, что предполагает возможность систематических ошибок в оценке R-отношения адронной вакуумной поляризации, используемой Fermilab. [35]
Центральным элементом эксперимента является сверхпроводящий магнит диаметром 50 футов (15 м) с исключительно однородным магнитным полем, используемый в качестве накопительного кольца . Он был перевезен в целости и сохранности из Брукхейвена в Лонг-Айленде , штат Нью-Йорк, в Фермилаб летом 2013 года. Переезд продлился 3200 миль (5100 км) за 35 дней [36] , в основном на барже по Восточному побережью и через Мобайл, штат Алабама , к водному пути Теннесси–Томбигби , а затем недолго по Миссисипи . Начальный и последний этапы были на специальном грузовике, едущем по закрытым шоссе ночью.
В ходе эксперимента Muon g − 2 были инжектированы поляризованные мюоны с энергией 3,1 ГэВ/с, полученные в мюонном кампусе Фермилаб, в накопительное кольцо, которое было значительно модернизировано по сравнению с экспериментом в Брукхейвене.
Измерение магнитного момента осуществляется 24 электромагнитными калориметрическими детекторами , которые равномерно распределены внутри накопительного кольца. Калориметры измеряют энергию и время прибытия (относительно времени инжекции) распадающихся позитронов (и их количество) от распада мюона в накопительном кольце. После того, как мюон распадается на позитрон и два нейтрино, позитрон оказывается с меньшей энергией, чем исходный мюон. Таким образом, магнитное поле закручивает его внутрь, где он попадает на сегментированный калориметр из фторида свинца (II) (PbF 2 ), показания которого считываются кремниевыми фотоумножителями (SiPM). [37]
Детекторы слежения регистрируют траекторию позитронов от распада мюона в накопительном кольце. Трекер может обеспечить измерение электрического дипольного момента мюона , но не непосредственно измерение магнитного момента. Основная цель трекера — измерение профиля пучка мюонов, а также разрешение наложения событий (для снижения систематической неопределенности в калориметрических измерениях). [37]
Для измерения магнитного момента с точностью до ppb требуется однородное среднее магнитное поле с такой же точностью. Экспериментальная цель g − 2 — достичь уровня неопределенности магнитного поля до 70 ppb, усредненного по времени и распределению мюонов. Однородное поле1,45 Тл создается в накопительном кольце с использованием сверхпроводящих магнитов, а значение поля будет активно картироваться по всему кольцу с использованием зонда ЯМР на мобильной тележке (без нарушения вакуума). Калибровка тележки соотносится с частотой Лармора протона в сферическом образце воды при эталонной температуре (34,7 °C) и перекрестно калибруется с новым гелий-3 магнитометром. [37]
Важным компонентом эксперимента является система сбора данных (DAQ), которая управляет потоком данных от электроники детектора. Требованием для эксперимента является сбор необработанных данных со скоростью 18 ГБ/с. Это достигается путем использования параллельной архитектуры обработки данных с использованием 24 высокоскоростных графических процессоров (NVIDIA Tesla K40) для обработки данных с 12-битных оцифровщиков сигналов. Настройка управляется программной инфраструктурой MIDAS DAQ. Система DAQ обрабатывает данные с 1296 каналов калориметра, 3 станций трекинга соломинок и вспомогательных детекторов (например, входных мюонных счетчиков). Общий объем выходных данных эксперимента оценивается в 2 ПБ . [38]
В эксперименте принимают участие следующие университеты, лаборатории и компании: [39]
{{cite news}}
: CS1 maint: бот: исходный статус URL неизвестен ( ссылка )Но лучшее объяснение, говорят физики, включает формы материи и энергии, которые в настоящее время науке неизвестны.
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )