I muoni sono misteriosi, e gli scienziati si stanno immergendo in profondità nella particella per ottenere un controllo su una proprietà che potrebbe renderla, e l'universo, un po' meno misteriosi.

Come gli elettroni – fratelli più leggeri dei muoni – sono particelle con una sorta di magnete interno naturale. Hanno anche un momento angolare chiamato spin, una specie di trottola. La combinazione dello spin e del magnete interno di una particella è chiamata rapporto giromagnetico, soprannominato "g, " ma i precedenti tentativi di misurarlo per i muoni hanno suscitato sorprese intriganti.

L'obiettivo dell'esperimento Muon g-2 al Fermilab è misurarlo in modo più preciso che mai.

Per raggiungere questi notevoli livelli di precisione, gli scienziati devono tenere d'occhio molto attentamente alcune parti dell'esperimento, uno dei quali è quanto è forte il suo campo magnetico. Il team ha misurato e ottimizzato il campo magnetico per mesi ed è ora molto vicino al raggiungimento di un campo stabile prima che gli esperimenti possano iniziare correttamente.

"Siamo nel periodo di messa in servizio dell'esperimento in questo momento, dove stiamo fondamentalmente imparando come si comportano i nostri sistemi e assicurandoci che tutto funzioni correttamente prima di passare a un funzionamento stabile, " ha detto David Flay, uno scienziato dell'Università del Massachusetts che lavora alla calibrazione del campo magnetico per Muon g-2.

Il mistero del muone

Muon g-2 sta seguendo un intrigante risultato visto al Brookhaven National Laboratory di New York nei primi anni 2000, quando l'esperimento ha fatto osservazioni di muoni che non corrispondevano alle previsioni teoriche. Il magnete circolare di 15 metri di diametro dell'esperimento, chiamato anello di immagazzinamento, è stato spedito in Illinois via terra e via mare nel 2013, e la misurazione viene ora condotta al Fermilab con una precisione quattro volte superiore.

Quando Brookhaven effettuò l'esperimento, il risultato è stato sorprendente:il valore del muone di g differiva significativamente da quello che i calcoli dicevano che dovrebbe essere, e nessuno sa bene perché. È possibile che l'esperimento stesso fosse difettoso e il risultato fosse falso, ma apre anche la porta alla possibilità di nuove particelle e teorie esotiche. Con il suo quadruplo aumento della precisione, Muon g-2 farà più luce sulla situazione.

Per misurare g, i fasci di muoni che circolano all'interno dell'anello di immagazzinamento dell'esperimento sono soggetti a un intenso campo magnetico - circa 30, 000 volte la forza del campo naturale terrestre. Questo fa sì che i muoni ruotino attorno al campo magnetico, o precesso, in un modo particolare. Misurando questa precessione, è possibile estrarre con precisione il valore di g.

La forza del campo magnetico a cui sono esposti i muoni influenza direttamente il modo in cui precedono, quindi è assolutamente fondamentale effettuare misurazioni estremamente precise dell'intensità del campo e mantenerne l'uniformità su tutto l'anello, compito non facile.

Se Muon g-2 conferma il risultato di Brookhaven, sarebbe una grande notizia. Il Modello Standard avrebbe bisogno di essere ripensato e aprirebbe un intero nuovo capitolo della fisica delle particelle.

Una teoria principale per spiegare i risultati intriganti sono nuovi tipi di particelle virtuali, fenomeni quantistici che fluttuano dentro e fuori dall'esistenza, anche in un vuoto altrimenti vuoto. Tutte le particelle conosciute fanno questo, ma il loro effetto totale non tiene pienamente conto dei risultati di Brookhaven. Gli scienziati prevedono quindi uno o più nuovi, generi sconosciuti, la cui ulteriore presenza effimera potrebbe fornire le strane osservazioni di muoni.

"La sfida più grande finora è stata affrontare l'imprevisto, " ha detto Joe Grange, scienziato dell'Argonne National Laboratory che lavora sul campo magnetico di Muon g-2. "Quando emerge un mistero che deve essere risolto in tempi relativamente brevi, le cose possono diventare frenetiche. Ma è anche una delle parti più divertenti del nostro lavoro".

Sondare il campo

Le misurazioni dell'intensità del campo magnetico vengono effettuate utilizzando piccoli, dispositivi elettronici sensibili chiamati sonde. Tre tipi di sonde:fisse, carrello e tuffo:lavorano insieme per costruire una mappa 3D del campo magnetico all'interno dell'esperimento. Il campo può andare alla deriva nel tempo, e cose come i cambiamenti di temperatura nell'edificio dell'esperimento possono influenzare leggermente la forma dell'anello, quindi circa 400 sonde fisse sono posizionate appena sopra e sotto l'anello di accumulo per tenere costantemente d'occhio il campo all'interno. Perché queste sonde stanno sempre a guardare, gli scienziati sanno quando e di quanto modificare il campo per mantenerlo uniforme.

Per queste misurazioni, e ogni pochi giorni, quando gli esperimenti vengono sospesi e il fascio di muoni viene interrotto, un 0,5 metri di lunghezza, un carrello cilindrico curvo su rotaie contenente 17 sonde viene inviato intorno all'anello per prendere una mappa precisa del campo nella regione in cui sono immagazzinati i muoni. Ogni orbita richiede un paio d'ore. Le sonde del carrello sono esse stesse calibrate da una sonda a tuffo, che può entrare e uscire dalla propria camera in una posizione specifica nell'anello quando necessario.

Le sonde fisse sono state installate e funzionanti dall'autunno 2016, mentre le 17 sonde a carrello sono state recentemente rimosse, aggiornato e reinstallato.

"Le sonde sono all'interno dell'anello dove non possiamo vederle, " ha detto Flay. "Quindi abbinare le loro posizioni per ottenere una calibrazione accurata tra di loro non è una cosa facile da fare."

Il team ha sviluppato alcune soluzioni innovative per affrontare questo problema, compreso un sistema a codice a barre all'interno dell'anello, che il carrello scansiona per riferire dove si trova mentre si muove.

Globale g-2

Muon g-2 è una collaborazione internazionale ospitata da Fermilab. Insieme agli scienziati del Fermilab, Argonne, e Brookhaven, diverse università negli Stati Uniti lavorano con collaboratori internazionali provenienti da paesi di ampio respiro come la Corea del Sud, Italia e Regno Unito. In totale, circa 30 istituzioni e 150 persone lavorano all'esperimento.

"Sono gli sforzi dettagliati dell'Argonne, Università di Washington, I team dell'Università del Massachusetts e dell'Università del Michigan che hanno prodotto questi affidabili, strumenti di qualità che ci danno un quadro completo del campo magnetico, " ha detto Brendan Kiburg, Scienziato del Fermilab al lavoro su Muon g-2. "Ci sono voluti anni di lavoro meticoloso."

Il team sta lavorando per completare la parte principale della misurazione dell'intensità del campo del processo di messa in servizio entro l'inizio del 2018. prima di passare ad analizzare esattamente come i muoni sperimentano il campo generato. L'inizio dell'esperimento è previsto per febbraio 2018.