All'inizio di questo mese, l'esperimento Muon g-2 ("g meno due") al Fermilab ha iniziato la sua seconda corsa alla ricerca di particelle e forze nascoste.

Nei prossimi tre mesi, gli scienziati si aspettano di accumulare il doppio della quantità di dati raccolti nel Run 1 e di effettuare la misurazione più precisa al mondo del momento magnetico anomalo del muone, spesso espresso come la quantità g-2.

Run 2 presenta diversi miglioramenti che gli scienziati hanno apportato all'esperimento negli ultimi otto mesi.

"Stiamo cercando di avere un ambiente più stabile in cui raccogliere i dati, perché nel primo periodo di acquisizione dei dati stavamo cercando di far funzionare le cose e valutare come stanno funzionando, " ha detto Mark Lancaster, co-portavoce dell'esperimento e professore di fisica presso l'Università di Manchester e l'University College di Londra. "Ora stiamo cercando di passare alla modalità in cui le cose sono molto più stabili, e possiamo correre per un periodo di tempo ragionevole senza alcun intervento".

I muoni sono particelle elementari simili a, ma molto più pesante di, elettroni. Il momento magnetico di un muone, una caratteristica correlata all'orientamento e alla forza del suo magnete interno, cambia mentre ruota, un effetto chiamato precessione. Lancaster e i suoi colleghi stanno misurando la frequenza di precessione del momento magnetico in modo molto preciso e confrontando il risultato con quello che i teorici prevedono che dovrebbe essere. Così facendo, sperano di confermare, o anche rivedere, il Modello Standard della fisica delle particelle.

"Mentre viaggia attraverso l'universo, una particella non è mai veramente strettamente sola, " ha detto Chris Polly del Fermilab, l'altro co-portavoce dell'esperimento. "C'è costantemente un entourage di altre particelle che appaiono dal vuoto. Vengono dal nulla, e scompaiono con la stessa rapidità con cui sono comparse all'esistenza."

Quelle particelle cambiano leggermente il momento magnetico del muone. Calcolando quanto spesso entreranno e usciranno dal vuoto e interagiranno con il muone, gli scienziati possono prevedere l'impatto di tutte le particelle conosciute sul momento magnetico con una precisione molto elevata. Il confronto di questa previsione con il valore ottenuto sperimentalmente dirà agli scienziati se ci sono ulteriori, particelle o forze sconosciute che modificano il momento magnetico.

A riposo, i muoni decadono in appena due milionesimi di secondo. Quel decadimento produce due neutrini e un positrone, che è un elettrone caricato positivamente.

"La maggior parte dei nostri dati proviene dall'osservazione delle energie e dei tempi di decadimento dei positroni provenienti dai muoni, " disse Brendan Kiburg, un fisico delle particelle del Fermilab coinvolto nell'esperimento.

Ottenere quei dati richiede un'uniformità, campo magnetico misurato con precisione.

"È incredibilmente importante conoscere il campo magnetico che i muoni stanno sperimentando, " ha detto Kiburg. "Dal momento che la nuova fisica che stiamo cercando è incorporata nella frequenza di precessione, devi assicurarti che i muoni non vedano un campo magnetico diverso da quello che stiamo misurando."

Mettere a punto l'anello

Il magnete ad anello di immagazzinamento dell'esperimento è arrivato al Fermilab dalla sua sede originale al Brookhaven National Laboratory nel 2013. Dopo anni di costruzione e aggiustamenti, gli operatori hanno messo a punto il raggio e si sono impegnati nella corsa 1, una produzione di tre mesi nel 2018.

"A causa di quella corsa di produzione, siamo stati in grado di conoscere alcune carenze che avevamo davvero bisogno di correggere, " disse Polly.

Ci sono diverse aree su cui il team si è concentrato durante l'estate. Il primo era un sistema di magneti quadrupoli che focalizzano i muoni e impediscono loro di salire o scendere a spirale.

"Abbiamo scoperto durante l'arresto che avevamo bisogno di migliorare l'affidabilità del funzionamento dei quadrupoli, soprattutto alle tensioni più elevate che vorremmo raggiungere nella prossima corsa, " disse Polly.

Un altro problema riguardava un dispositivo chiamato kicker elettromagnetico. Sposta leggermente l'orbita dei muoni per mantenerli su un percorso che rimane all'interno dell'anello.

"Il kicker è probabilmente il singolo componente più importante dell'esperimento al di là del ring stesso, "Ha detto Kiburg.

Senza il kicker, i muoni si comportano come un pilota di Formula Uno la cui macchina da corsa è dall'angolazione sbagliata, mandandoli a sbattere contro il muro al primo giro. Per evitare questo, il kicker sposta l'angolo dei muoni mentre passano attraverso il cancello dell'anello.

"Uno dei problemi con il kicker a Brookhaven era che era troppo lento, " disse Polly. "Invece di dare un calcio ai muoni al primo giro e spegnersi, l'impulso del kicker continuò per due o tre giri intorno all'anello. Non era proprio l'ideale, quindi abbiamo progettato un kicker per questo esperimento che potrebbe essere su e giù in un solo turno."

Mentre il calcio distribuito durante la prima manche al Fermilab è stato tre volte più veloce, non era abbastanza forte da spingere i muoni esattamente nell'orbita perfetta attorno all'anello. Durante lo spegnimento, la squadra ha aggiornato l'anello per ospitare un kicker più potente.

Il terzo problema era il controllo della temperatura nell'edificio Muon g-2. L'anello di immagazzinamento magnetico è estremamente sensibile alla temperatura, tanto che un cambiamento di più di un singolo grado Celsius può causarne l'espansione o la contrazione, degradazione del campo magnetico. Durante l'esecuzione della prima corsa durante i mesi estivi più caldi, mantenere la temperatura della struttura era una sfida. I miglioramenti ai sistemi di riscaldamento e raffreddamento della struttura dovrebbero risolvere questo problema, disse Polly.

Una montagna di dati

Il team ha recentemente iniziato a portare il raggio nell'anello di stoccaggio e a testare che gli aggiornamenti funzionassero come previsto. Un obiettivo chiave di Run 2 è misurare il momento magnetico in modo molto preciso, a 70 parti per miliardo. Per ottenere quel tipo di precisione, il campo magnetico deve essere molto uniforme.

"Siamo stati in grado di regolare il campo magnetico in modo che sia due o tre volte più uniforme, " disse Polly. "Allora, anche se stiamo usando lo stesso contenitore, l'abbiamo infatti trasformato in un contenitore molto migliore in termini di comprensione di questo campo magnetico."

Il team ha anche dovuto aumentare il flusso di muoni dell'esperimento, il numero di muoni al secondo necessari per raggiungere la necessaria precisione statistica. Nella corsa 1, hanno raggiunto circa la metà del loro obiettivo. Si prevede che uno stuolo di aggiornamenti completati durante l'estate aumenterà il flusso a circa il 75% dell'obiettivo. Un aggiornamento finale che il team sta prendendo in considerazione per la prossima estate otterrebbe il resto del percorso, disse Polly.

Una sfida imminente è l'enorme volume di dati. L'esecuzione 2 mira a ridurre l'incertezza nel risultato dell'esperimento Brookhaven Muon g-2 di un fattore quattro, che richiede 16 volte le statistiche. Sono molti dati.

"Il nostro obiettivo è elaborare i dati così come arrivano, " Ha detto Lancaster. "Stiamo usando il calcolo distribuito per tutto, quindi elaboriamo tutto sulla griglia. Parte di ciò che stiamo cercando di fare è renderlo più robusto e affidabile".

E robustezza e affidabilità richiedono rigore.

"Ecco perché attraversi l'intero processo di progettazione con tanta attenzione, " ha detto Kiburg. "È così che puoi arrivare a un punto in cui lo stai trasformando in un risultato di fisica, e siamo sulla soglia di casa, quindi questo è un momento divertente."