Mentre gli scienziati attendono i tanto attesi risultati iniziali dell'esperimento Muon g-2 presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), gli scienziati che collaborano dall'Argonne National Laboratory del DOE continuano a impiegare e mantenere il sistema unico che mappa il campo magnetico nell'esperimento con una precisione senza precedenti.

Gli scienziati di Argonne hanno aggiornato il sistema di misurazione, che utilizza uno schema di comunicazione avanzato e nuove sonde di campo magnetico ed elettronica per mappare il campo lungo l'anello di circonferenza di 45 metri in cui si svolge l'esperimento.

L'esperimento, iniziata nel 2017 e continua ancora oggi, potrebbe essere di grande importanza per il campo della fisica delle particelle. In seguito a un esperimento passato al Brookhaven National Laboratory del DOE, ha il potere di affermare o smentire i risultati precedenti, che potrebbe far luce sulla validità di parti del Modello Standard regnante della fisica delle particelle.

Le misurazioni ad alta precisione di quantità importanti nell'esperimento sono fondamentali per produrre risultati significativi. La quantità primaria di interesse è il fattore g del muone, una proprietà che caratterizza gli attributi magnetici e quantomeccanici della particella.

Il Modello Standard prevede il valore del fattore g del muone in modo molto preciso. "Poiché la teoria prevede così chiaramente questo numero, testare il fattore g attraverso l'esperimento è un modo efficace per testare la teoria, " disse Simone Corrodi, un post-dottorato nella divisione di Fisica delle Alte Energie (HEP) di Argonne. "C'era una grande deviazione tra la misurazione di Brookhaven e la previsione teorica, e se confermiamo questa discrepanza, segnalerà l'esistenza di particelle sconosciute."

Proprio come l'asse di rotazione della Terra precede, il che significa che i poli viaggiano gradualmente in cerchi, la rotazione del muone, una versione quantistica del momento angolare, precessi in presenza di un campo magnetico. La forza del campo magnetico che circonda un muone influenza la velocità con cui il suo spin precede. Gli scienziati possono determinare il fattore g del muone utilizzando misurazioni della velocità di precessione dello spin e dell'intensità del campo magnetico.

Più precise sono queste misurazioni iniziali, tanto più convincente sarà il risultato finale. Gli scienziati sono sulla buona strada per ottenere misurazioni sul campo accurate a 70 parti per miliardo. Questo livello di precisione consente al calcolo finale del fattore g di essere accurato fino a quattro volte la precisione dei risultati dell'esperimento Brookhaven. Se il valore misurato sperimentalmente differisce significativamente dal valore previsto del modello standard, potrebbe indicare l'esistenza di particelle sconosciute la cui presenza disturba il campo magnetico locale attorno al muone.

Giro in carrello

Durante la raccolta dei dati, un campo magnetico fa sì che un fascio di muoni viaggi intorno a un grande, anello vuoto. Per mappare l'intensità del campo magnetico in tutto l'anello con alta risoluzione e precisione, gli scienziati hanno progettato un sistema a carrello per guidare le sonde di misurazione intorno all'anello e raccogliere dati.

L'Università di Heidelberg ha sviluppato il sistema di carrelli per l'esperimento Brookhaven, e gli scienziati di Argonne hanno rinnovato l'attrezzatura e sostituito l'elettronica. Oltre alle 378 sonde montate all'interno dell'anello per monitorare costantemente le derive di campo, il carrello contiene 17 sonde che misurano periodicamente il campo con maggiore risoluzione.

"Ogni tre giorni, il carrello fa il giro dell'anello in entrambe le direzioni, prendendo circa 9, 000 misurazioni per sonda e direzione, " disse Corrodi. "Poi prendiamo le misure per costruire fette del campo magnetico e poi un pieno, Mappa 3-D dell'anello."

Gli scienziati conoscono l'esatta posizione del carrello nell'anello da un nuovo lettore di codici a barre che registra i segni sul fondo dell'anello mentre si muove.

L'anello è riempito con un vuoto per facilitare il decadimento controllato dei muoni. Per preservare il vuoto all'interno dell'anello, un garage collegato all'anello e sottovuoto immagazzina il carrello tra le misurazioni. L'automazione del processo di carico e scarico del carrello nell'anello riduce il rischio che gli scienziati compromettano il vuoto e il campo magnetico interagendo con il sistema. Hanno inoltre ridotto al minimo il consumo energetico dell'elettronica del carrello al fine di limitare il calore introdotto nel sistema, che altrimenti comprometterebbe la precisione della misurazione sul campo.

Gli scienziati hanno progettato il carrello e il garage per operare nel forte campo magnetico dell'anello senza influenzarlo. "Abbiamo usato un motore che funziona nel campo magnetico forte e con una firma magnetica minima, e il motore muove meccanicamente il carrello, usando le stringhe, " ha detto Corrodi. "Questo riduce il rumore nelle misure di campo introdotte dall'apparecchiatura."

Il sistema utilizza la minor quantità di materiale magnetico possibile, e gli scienziati hanno testato l'impronta magnetica di ogni singolo componente utilizzando magneti di prova presso l'Università di Washington e Argonne per caratterizzare la firma magnetica complessiva del sistema di carrelli.

Il potere della comunicazione

Dei due cavi che tirano il carrello intorno all'anello, uno di essi funge anche da cavo di alimentazione e comunicazione tra la stazione di controllo e le sonde di misura.

Per misurare il campo, gli scienziati inviano una radiofrequenza attraverso il cavo alle 17 sonde del carrello. La radiofrequenza fa ruotare gli spin delle molecole all'interno della sonda nel campo magnetico. La radiofrequenza viene quindi disattivata al momento giusto, provocando la precessione degli spin delle molecole d'acqua. Questo approccio è chiamato risonanza magnetica nucleare (NMR).

La frequenza alla quale precedono gli spin delle sonde dipende dal campo magnetico nell'anello, e un digitalizzatore a bordo del carrello converte la radiofrequenza analogica in più valori digitali comunicati via cavo ad una stazione di controllo. Alla stazione di controllo, gli scienziati analizzano i dati digitali per costruire la frequenza di precessione di spin e, da quello, una mappa del campo magnetico completa.

Durante l'esperimento di Brookhaven, tutti i segnali sono stati inviati attraverso il cavo contemporaneamente. Però, a causa della conversione da segnale analogico a digitale nel nuovo esperimento, molti più dati devono viaggiare sul cavo, e questo aumento della velocità potrebbe disturbare la radiofrequenza molto precisa necessaria per la misurazione della sonda. Per evitare questo disturbo, gli scienziati hanno separato i segnali nel tempo, commutazione tra il segnale a radiofrequenza e la comunicazione dati nel cavo.

"Forniamo alle sonde una radiofrequenza attraverso un segnale analogico, " disse Corrodi, "e usiamo un segnale digitale per comunicare i dati. Il cavo passa tra queste due modalità ogni 35 millisecondi".

La tattica della commutazione tra i segnali che viaggiano attraverso lo stesso cavo è chiamata "multiplexing a divisione di tempo, " e aiuta gli scienziati a raggiungere le specifiche non solo per la precisione, ma anche i livelli di rumore. Un aggiornamento dall'esperimento Brookhaven, il multiplexing a divisione di tempo consente una mappatura a risoluzione più elevata e nuove funzionalità nell'analisi dei dati del campo magnetico.

Prossimi risultati

Sia il sistema NMR di mappatura del campo che il relativo controllo del movimento sono stati commissionati con successo al Fermilab e hanno funzionato in modo affidabile durante i primi tre periodi di acquisizione dei dati dell'esperimento.

Gli scienziati hanno raggiunto una precisione senza precedenti per le misurazioni sul campo, così come l'uniformità record del campo magnetico dell'anello, in questo esperimento Muon g-2. Gli scienziati stanno attualmente analizzando la prima serie di dati del 2018 e prevedono di pubblicare i risultati entro la fine del 2020.

Gli scienziati hanno dettagliato la complessa configurazione in un documento, dal titolo "Progettazione e performance di un sottovuoto, sistema di mappatura del campo magnetico per l'esperimento Muon g-2, " pubblicato in Giornale di strumentazione .