Un fattore limitante nei moderni esperimenti di fisica è la precisione con cui gli scienziati possono misurare valori importanti, come il campo magnetico all'interno di un rivelatore. Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e i loro collaboratori hanno sviluppato una struttura unica per calibrare i dispositivi di misurazione sul campo e testarne i limiti all'interno di potenti campi magnetici.

La struttura dispone di un magnete a solenoide proveniente da un ex scanner per risonanza magnetica (MRI) originariamente ospitato in un ospedale di San Francisco. Il magnete produce un campo massimo di 4 Tesla, oltre 400 volte la forza di un magnete da frigorifero. La sua grande apertura, originariamente destinato a trattenere un paziente durante una risonanza magnetica, offre agli scienziati ampio spazio per posizionare dispositivi e macchinari all'interno del campo magnetico. Anche il campo prodotto dal magnete è eccezionalmente uniforme e stabile, un requisito per calibrare i dispositivi di misurazione all'altissima precisione necessaria per molti esperimenti di fisica nucleare e particellare.

"Abbiamo lavorato con diversi ricercatori, ad Argonne e da altre istituzioni, che hanno bisogno di un forte campo magnetico e di un grosso calibro per testare la loro ricerca, " disse Peter Winter, fisico e leader del gruppo nella divisione di Fisica delle Alte Energie di Argonne. "Gli scienziati portano i loro dispositivi ed elettronica, e forniamo il nostro magnete, competenze e infrastrutture per aiutare ad automatizzare i processi e garantire il successo dei test."

Il team è alla ricerca di nuovi utenti per continuare ad ampliare il portafoglio di applicazioni della struttura.

Stazione di calibrazione

Un'applicazione primaria della struttura di test del solenoide di Argonne è la calibrazione e la calibrazione incrociata delle sonde di misurazione per ottenere un'elevata precisione e aggiungere livelli di coerenza tra esperimenti simili in tutto il mondo.

Originariamente, Gli scienziati di Argonne hanno acquisito il magnete per testare e calibrare diverse sonde sviluppate dall'Università del Massachusetts per misurare il campo magnetico nell'esperimento Muon g meno 2 (Muon g-2) attualmente in corso presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del DOE. La struttura di prova ha permesso agli scienziati di ottenere misurazioni precise sul campo fino a diverse parti per miliardo, come misurare la circonferenza della Terra fino a circa due pollici.

La misurazione precisa del campo nell'esperimento è cruciale perché l'intensità del campo magnetico è un giocatore importante nella determinazione finale di g, una proprietà del muone la cui determinazione confermerà le attuali teorie della fisica delle particelle o indicherà l'esistenza di particelle sconosciute.

"Questa struttura ha permesso al team del campo magnetico su Muon g-2 di raggiungere obiettivi rigorosi sull'esperimento riducendo le incertezze e migliorando la robustezza delle nostre misurazioni, " ha detto David Kawall, un fisico e professore dell'Università del Massachusetts. "Al meglio delle mie conoscenze, non ci sono strutture paritarie al mondo, e avere accesso a questi strumenti ad Argonne è stato essenziale per il successo dello sforzo sul campo magnetico su Muon g-2."

I futuri esperimenti g-2 saranno condotti in Giappone presso il Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) della High Energy Accelerator Research Organization (KEK). I collaboratori giapponesi, guidato da Ken-ichi Sasaki, stanno utilizzando la struttura per calibrare in modo incrociato le proprie sonde di campo magnetico con quelle utilizzate al Fermilab.

"Assicurando che tutte le nostre sonde leggano gli stessi valori nello stesso campo magnetico, stiamo aggiungendo certezza alle misurazioni provenienti da entrambi gli esperimenti g-2, " disse Sasak, che è professore alla KEK e capo della sottosezione della sezione criogenica del J-PARC.

Un altro esperimento sui muoni, l'esperimento di spettroscopia del muonio usando le microonde (MuSEUM), contribuirà all'esperimento giapponese g-2 misurando con precisione il rapporto di massa del muone rispetto all'elettrone, un valore incluso anche nella determinazione di g-2.

L'esperimento alla KEK in Giappone utilizza sonde di calibrazione a risonanza magnetica nucleare (NMR) molto simili a quelle dell'esperimento g-2. Lo sviluppo della sonda per MuSEUM è stato guidato da Toya Tanaka, uno studente laureato presso l'Università di Tokyo che utilizza la struttura del solenoide per calibrare le sonde dell'esperimento. La collaborazione tra scienziati giapponesi e statunitensi garantirà che sia gli esperimenti g-2 che l'esperimento MuSEUM abbiano una misurazione sul campo coerente.

Sviluppo di sonde ad elio e Hall

Attraverso una partnership con Thomas Strauss del Fermilab, un altro gruppo giapponese, guidato da Norihito Ohuchi e Yasushi Arimoto di KEK, sta usando la struttura per calibrare la propria sonda, chiamata sonda Hall, per il prossimo esperimento SuperKEKB.

Sebbene meno precisi delle sonde NMR utilizzate negli attuali esperimenti g-2, Le sonde Hall possono misurare non solo la grandezza di un campo magnetico con il gradiente di campo, ma anche la sua direzione.

SuperKEKB, un aggiornato di recente, collisore elettrone-positrone di tre chilometri, accelera particelle chiamate elettroni e positroni molto vicine alla velocità della luce. Gli scienziati utilizzeranno le misurazioni delle particelle create nelle collisioni per indagare su una potenziale spiegazione dell'asimmetria materia-antimateria nell'universo.

L'esperimento SuperKEKB coinvolge cinque magneti solenoidi superconduttori nella regione di collisione del fascio. I campi del solenoide hanno una forte influenza sull'efficienza delle collisioni. Per elevare l'efficienza di collisione del fascio, il team utilizzerà i dati calibrati delle sonde Hall per creare profili di campo del solenoide più precisi.

"Utilizzando la struttura di prova di Argonne, crediamo di poter migliorare la precisione delle sonde Hall di un ordine di grandezza, " ha detto Ohuchi, che è professore alla KEK e leader del gruppo di magneti superconduttori nel Laboratorio dell'Acceleratore. "Questo ci consentirà di mappare i complessi campi magnetici prodotti dai magneti SuperKEKB e migliorare la qualità dei raggi".

Un altro esperimento in arrivo al Fermilab, chiamato Mu2e, utilizzerà anche sonde di Hall per la mappatura del campo. L'esperimento utilizza un magnete a solenoide come quello di Argonne, ma più grande, per misurare le interazioni tra muoni. Il Modello Standard regnante della fisica delle particelle consente ai muoni di decadere in un modo specifico, ma per questo esperimento, gli scienziati cercheranno un'interazione proibita il cui verificarsi violerebbe il Modello Standard e indicherebbe una nuova fisica.

La capacità delle sonde di Hall di misurare la direzione di un campo la rende la sonda preferita per l'esperimento Mu2e, ma la capacità aggiunta richiede un controllo di qualità ancora maggiore. Gli scienziati di Argonne si sono assunti la responsabilità della mappatura del campo nell'esperimento Mu2e, e stanno usando la struttura di prova per calibrare le sonde.

"Se hai un leggero disallineamento tra la direzione da cui la sonda legge la sua misurazione e dove sta effettivamente puntando il campo, la misurazione può deviare molto rapidamente dal valore reale, " disse Bob Wagner, capo del team di mappatura sul campo ad Argonne. "Il nostro magnete ci consente di allineare gli assi delle sonde con il campo e tra loro".

Man mano che le sonde Hall diventano più accurate e precise con l'aiuto della struttura di prova di Argonne, una nuova sonda, una che utilizza l'elio, sta facendo il suo debutto. Un gruppo di ricercatori dell'Università del Michigan, guidato dal professor Tim Chupp e Midhat Farooq, ha sviluppato la nuova sonda di calibrazione per fungere da controllo aggiuntivo per i campi di misura

L'isotopo dell'elio nella sonda, elio-3, è un gas inerte che si comporta in modo diverso dall'acqua utilizzata nelle sonde tradizionali e ha il potenziale per una maggiore precisione. "Abbiamo utilizzato il magnete di prova Argonne per calibrare in modo incrociato la nostra sonda con due sonde per l'acqua, incluso uno con lo stesso design della sonda UMass, e trovato accordo con alta precisione, confermando che tutti gli effetti che non avevamo considerato sono piuttosto piccoli, " ha detto Chupp. "Il nostro prossimo passo è la calibrazione incrociata della sonda UMass con una sonda elio-3 migliorata che sarà ancora più precisa."

Farooq e il team hanno pubblicato un articolo in Lettere di revisione fisica nel giugno 2020 sul successo della loro sonda a elio.

Un elenco crescente di applicazioni

Da quando ha accettato il suo primo gruppo di utenti esterni - scienziati della Stony Brook University che hanno testato un mantello magnetico per schermare l'elettronica negli esperimenti - le applicazioni della struttura e la base di utenti sono cresciute in modo significativo.

Oltre alla calibrazione della sonda, il magnete ha anche aiutato a testare e sviluppare una varietà di apparecchiature sperimentali. Junqi Xie di Argonne, uno scienziato nella divisione di fisica del laboratorio, utilizza il magnete per sviluppare rilevatori che operano in campi magnetici elevati per applicazioni di fotorilevamento. I rivelatori avranno applicazioni future nell'Electron-Ion Collider che sarà costruito presso il Brookhaven National Laboratory del DOE.

Il Fermilab ha recentemente utilizzato il magnete per testare i propri sistemi di metrologia laser che utilizzano per misurare le distanze e allineare le apparecchiature negli esperimenti. Hanno testato la capacità di diversi laser tracker, che può misurare distanze a livello submillimetrico, per rimanere precisi in presenza di campi magnetici elevati.

"La struttura è stata utile anche per la formazione della prossima generazione di scienziati, " ha detto Kawall, "e le collaborazioni internazionali formate saranno di beneficio duraturo".