Мюон g - 2 (произносится как «ги минус два») — это эксперимент по физике элементарных частиц в Фермилабе , направленный на измерение аномального магнитного дипольного момента мюона с точностью 0,14 частей на миллион [ 1] , что является чувствительным тестом Стандартной модели . [2] Это 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 », указывает, насколько силен магнит и скорость его вращения во внешнем магнитном поле. Именно эта скорость вращения косвенно измеряется в эксперименте Muon 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 . Измерив g − 2 с высокой точностью и сравнив его значение с теоретическим предсказанием, физики узнают, согласуется ли эксперимент с теорией. Любое отклонение указывало бы на еще не открытые субатомные частицы, существующие в природе. [6]
9 июля 2023 года коллаборация Фермилаб завершила эксперимент после шести лет сбора данных. [7] Первоначальные результаты (основанные на данных первого года проведения эксперимента) были опубликованы 7 апреля 2021 года. [8] [9] [10] Результаты первых трех лет сбора данных были объявлены в Август 2023 г. [4] [5] Окончательные результаты, основанные на сборе данных за полные шесть лет, планируется опубликовать в 2025 г. [7]
Первые эксперименты с мюоном g -2 начались в ЦЕРН в 1959 году по инициативе Леона М. Ледермана . [11] [12] Группа из шести физиков провела первый эксперимент с использованием синхроциклотрона в ЦЕРН. Первые результаты были опубликованы в 1961 году [13] с точностью 2% по отношению к теоретическому значению, а затем вторые — с точностью до 0,4%, что подтвердило теорию квантовой электродинамики.
Второй эксперимент начался в 1966 году с новой группой, работавшей на этот раз с протонным синхротроном , также в ЦЕРНе. Результаты тогда были в 25 раз точнее предыдущих и показали количественное расхождение между экспериментальными значениями и теоретическими, что потребовало от физиков перерасчета своей теоретической модели.
Третий эксперимент, начавшийся в 1969 г., опубликовал свои окончательные результаты в 1979 г. [14], подтвердив теорию с точностью 0,0007%.
Соединенные Штаты взяли на себя эксперимент g - 2 в 1984 году. [15]
Следующий этап исследований мюона g −2 был проведен в Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) на синхротроне переменного градиента ; эксперимент был известен как эксперимент ( BNL ) мюон E821 , [16] , но его также называли «мюонный эксперимент в BNL» или «(мюон) g-2 в BNL» и т. д. [7] Эксперимент Брукхейвена с мюоном g-2 был построен с 1989 по 1996 год и собраны данные с 1997 по 2001 год. [17]
Эксперимент проводился аналогично последнему эксперименту ЦЕРН с целью повышения точности в 20 раз. Методика заключалась в хранении мюонов с энергией 3,094 ГэВ в однородном измеряемом магнитном поле и наблюдении разницы прецессии спина и частоты вращения мюона посредством регистрации электронов распада мюона. Прогресс в точности в решающей степени зависел от гораздо более интенсивного луча, чем был доступен в ЦЕРНе, и от инжекции мюонов в накопительное кольцо, тогда как в предыдущих экспериментах ЦЕРН в накопительное кольцо вводились пионы, из которых лишь небольшая часть распадается на мюоны, которые хранятся. В эксперименте использовалось гораздо более однородное магнитное поле с использованием сверхжелезистого сверхпроводящего кольцевого накопительного магнита, пассивного сверхпроводящего магнита-инфлектора, быстрых мюонных кикеров для отклонения введенных мюонов на сохраненные орбиты, тележки ЯМР с лучевой трубкой, которая могла составить карту магнитного поля в области хранения. и множество других экспериментальных достижений. В эксперименте были взяты данные с положительными и отрицательными мюонами в период с 1997 по 2001 год. Его окончательный результат представляет собой µ = ( g − 2)/2 = 11659208,0(5,4)(3,3) × 10 −10 , полученный путем объединения последовательных результатов с аналогичной точностью из положительные и отрицательные мюоны. [18]
Фермилаб продолжает эксперимент, проведенный в Брукхейвене [ 19] по измерению аномального магнитного дипольного момента мюона . Эксперимент в Брукхейвене завершился в 2001 году, но десять лет спустя оборудование приобрела лаборатория Fermilab, способная производить более чистый пучок мюонов, чем в Брукхейвене. [20] Цель состоит в том, чтобы провести более точное измерение (меньшее σ ), которое либо устранит несоответствие между результатами Брукхейвена и предсказаниями теории, либо подтвердит его как экспериментально наблюдаемый пример физики за пределами Стандартной модели .
Магнит был отремонтирован и включен в эксплуатацию в сентябре 2015 года, и было подтверждено, что он имеет ту же базовую однородность магнитного поля 1,3 ppm , что и до переезда.
По состоянию на октябрь 2016 года магнит был переработан и тщательно отрегулирован для создания высокооднородного магнитного поля. Новые усилия в Фермилабе привели к трехкратному улучшению общей однородности, что важно для новых измерений с целью более высокой точности. [21]
В апреле 2017 года коллаборация готовила эксперимент к первому серийному запуску с протонами – по калибровке детекторных систем. Магнит получил первый пучок мюонов на новом месте 31 мая 2017 года. [22] Сбор данных планировалось продлить до 2020 года. [23]
7 апреля 2021 года были опубликованы результаты эксперимента 1: a μ =0,001 165 920 40 (54) . Новые экспериментальные среднемировые результаты, объявленные коллаборацией Muon g − 2, таковы: g -фактор:2,002 331 841 22 (82) , аномальный магнитный момент:0,001 165 920 61 (41) . Совокупные результаты Фермилаборатории и Брукхейвена показывают разницу с теорией на уровне значимости 4,2 сигмы (или стандартного отклонения), что немного ниже 5 сигм, которые физики элементарных частиц требуют, чтобы заявить об открытии, но все же являются свидетельством новой физики. Вероятность того, что статистические колебания приведут к столь же поразительным результатам, составляет примерно 1 к 40 000. [10]
Сбор данных завершился 9 июля 2023 года, когда коллаборация отключила мюонный луч, завершив эксперимент после шести лет сбора данных. 10 августа 2023 г. были объявлены результаты анализов 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 коэффициента ошибки на два по сравнению с результатами 2021 года. [16] Хотя этот экспериментальный результат составляет отклонение 5,1 сигмы от предсказания теории Стандартной модели 2020 года, он отличается лишь примерно на 1 сигму от предсказания, полученного в результате недавних расчетов решетки. Это несоответствие между экспериментом и теорией находится в стадии дальнейшего изучения. [4] [5]
Эксперимент Фермилаб достигнет своего окончательного и наиболее точного измерения магнитного момента мюона, как только ученые учтут данные всех шести лет в своем анализе; окончательный результат планируется опубликовать в 2025 году. [7]
G - фактор заряженного лептона ( электрона , мюона или тау ) очень близок к 2. Разница с 2 («аномальная» часть) зависит от лептона и может быть довольно точно вычислена на основе текущей Стандартной модели частицы. физика . Измерения g -фактора электрона находятся в прекрасном согласии с этим расчетом. Брукхейвенский эксперимент провел это измерение для мюонов, гораздо более технически сложное измерение из-за их короткого времени жизни, и обнаружил заманчивое, но не окончательное несоответствие между измеренным значением и предсказанием Стандартной модели. [24]
Вычисление предсказания Стандартной моделью g -фактора мюона чрезвычайно сложно, и существует несколько различных подходов. Основная трудность состоит в том, что на величину влияют виртуальные адроны . [25]
В 2020 году Инициатива по теории мюона g-2 опубликовала вычисленное консенсусное значение g- фактора мюона , основанное на пертурбативных методах. [26] [27] В 2021 году коллаборация Будапешт-Марсель-Вупперталь (BMW) опубликовала результаты расчетов решеточной КХД g -фактора [28] [29] , которые находились между экспериментальным значением, полученным в Фермилабе, и теоретическим значением, рассчитанным Инициатива по теории мюона g-2. Последующие работы группы скоординированного моделирования решеток (CLS) [30] [31] и Европейской коллаборации Twisted Mass Collaboration (ETMC) [32] [33] приблизились каждая к теоретическому значению, предполагая, что в оценке могут быть систематические ошибки. R-отношения адронной вакуумной поляризации , используемой Фермилабом. [34]
Центральным элементом эксперимента является сверхпроводящий магнит диаметром 50 футов (15 м) с исключительно однородным магнитным полем, используемый в качестве накопительного кольца . Его целиком перевезли из Брукхейвена на Лонг-Айленде , штат Нью-Йорк, в Фермилаб летом 2013 года. Транспорт преодолел 3200 миль (5100 км) за 35 дней, [35] в основном на барже вдоль восточного побережья и через Мобил, штат Алабама , до водного пути Теннесси-Томбигби , а затем ненадолго по Миссисипи . Первый и последний этапы проходили на специальном грузовике, который двигался ночью по закрытым шоссе.
Эксперимент Muon g - 2 вводил поляризованные мюоны с энергией 3,1 ГэВ/c, произведенные 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 накопителя. Калориметры измеряют энергию и время прибытия (относительно времени инжекции) позитронов распада (и их количество) от распада мюона в накопителе. После того как мюон распадается на позитрон и два нейтрино, позитрон оказывается с меньшей энергией, чем исходный мюон. Таким образом, магнитное поле скручивает его внутрь, где он попадает на сегментированный калориметр фторида свинца(II) (PbF 2 ), считываемый кремниевыми фотоумножителями (SiPM). [36]
Следящие детекторы регистрируют траекторию движения позитронов от распада мюона в накопителе. Трекер может обеспечить измерение электрического дипольного момента мюона , но не непосредственно измерение магнитного момента. Основное назначение трекера — измерение профиля мюонного пучка, а также разрешение нагромождения событий (для уменьшения систематической неопределенности в измерениях калориметра). [36]
Для измерения магнитного момента с точностью до миллионных долей требуется, чтобы однородное среднее магнитное поле имело одинаковую точность. Экспериментальная цель g - 2 - достичь уровня неопределенности магнитного поля до 70 частей на миллиард, усредненного по времени и распределению мюонов. Однородное полеНапряжение 1,45 Тл создается в накопительном кольце с помощью сверхпроводящих магнитов, а значение поля будет активно картироваться по всему кольцу с помощью ЯМР- зонда на мобильной тележке (без нарушения вакуума). Калибровка тележки привязана к ларморовской частоте протона в сферической пробе воды при эталонной температуре (34,7 °C) и перекрестно калибруется по новому магнитометру на гелии-3 . [36]
Важным компонентом эксперимента является система сбора данных (DAQ), которая управляет потоком данных от электроники детектора. Требованием для эксперимента является получение необработанных данных со скоростью 18 ГБ/с. Это достигается за счет использования архитектуры параллельной обработки данных с использованием 24 высокоскоростных графических процессоров (NVIDIA Tesla K40) для обработки данных от 12-битных преобразователей сигналов. Настройка контролируется программным обеспечением MIDAS DAQ. Система сбора данных обрабатывает данные от 1296 калориметрических каналов, 3 станций строу-трекера и вспомогательных детекторов (например, входных счетчиков мюонов). Общий объем данных эксперимента оценивается в 2 ПБ . [37]
В эксперименте принимают участие следующие университеты, лаборатории и компании: [38]
Это еще не следующий бозон Хиггса – пока. Но лучшее объяснение, по мнению физиков, связано с формами материи и энергии, в настоящее время неизвестными науке.
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )