Gli scienziati stanno testando la nostra comprensione fondamentale dell'universo, e c'è molto altro da scoprire.

Cosa fanno i touch screen, la radioterapia e la pellicola termoretraibile hanno in comune? Sono stati tutti resi possibili dalla ricerca sulla fisica delle particelle. Le scoperte su come funziona l'universo su scala più piccola spesso portano a enormi progressi nella tecnologia che usiamo ogni giorno.

Scienziati dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e del Fermi National Accelerator Laboratory, insieme a collaboratori di altre 46 istituzioni e sette paesi, stanno conducendo un esperimento per mettere alla prova la nostra attuale comprensione dell'universo. Il primo risultato indica l'esistenza di particelle o forze sconosciute. Questa nuova fisica potrebbe aiutare a spiegare misteri scientifici di vecchia data, e la nuova intuizione si aggiunge a un magazzino di informazioni a cui gli scienziati possono attingere durante la modellazione del nostro universo e lo sviluppo di nuove tecnologie.

L'esperimento, Muon g-2 (pronunciato Muon g meno 2), segue quello iniziato negli anni '90 al Brookhaven National Laboratory del DOE, in cui gli scienziati hanno misurato una proprietà magnetica di una particella fondamentale chiamata muone.

L'esperimento di Brookhaven ha prodotto un risultato che differiva dal valore previsto dal modello standard, la migliore descrizione finora data dagli scienziati della struttura e del comportamento dell'universo. Il nuovo esperimento è una ricreazione di Brookhaven, costruito per sfidare o affermare la discrepanza con maggiore precisione.

Il modello standard prevede in modo molto preciso il fattore g del muone, un valore che dice agli scienziati come si comporta questa particella in un campo magnetico. Questo fattore g è noto per essere vicino al valore due, e gli esperimenti misurano la loro deviazione da due, da qui il nome Muon g-2.

L'esperimento di Brookhaven ha indicato che g-2 differiva dalla previsione teorica di poche parti per milione. Questa minuscola differenza suggeriva l'esistenza di interazioni sconosciute tra il muone e il campo magnetico, interazioni che potevano coinvolgere nuove particelle o forze.

Il primo risultato del nuovo esperimento concorda fortemente con quello di Brookhaven, rafforzando l'evidenza che c'è una nuova fisica da scoprire. I risultati combinati di Fermilab e Brookhaven mostrano una differenza dal modello standard con una significatività di 4,2 sigma (o deviazioni standard), leggermente inferiore al 5 sigma che gli scienziati richiedono per rivendicare una scoperta, ma ancora prove convincenti di nuova fisica. La possibilità che i risultati siano una fluttuazione statistica è di circa 1 su 40, 000.

Particelle oltre il Modello Standard potrebbero aiutare a spiegare fenomeni sconcertanti in fisica, come la natura della materia oscura, una sostanza misteriosa e pervasiva che i fisici sanno esiste ma devono ancora rilevare.

"Questo è un risultato incredibilmente eccitante, " ha detto Ran Hong di Argonne, un post-dottorato che ha lavorato all'esperimento Muon g-2 per oltre quattro anni. "Questi risultati potrebbero avere importanti implicazioni per futuri esperimenti di fisica delle particelle e potrebbero portare a una comprensione più forte di come funziona l'universo".

Il team di scienziati di Argonne ha contribuito in modo significativo al successo dell'esperimento. La squadra originale, assemblato e guidato dal fisico Peter Winter, inclusi Hong di Argonne e Simon Corrodi, così come Suvarna Ramachandran e Joe Grange, che da allora hanno lasciato Argonne.

"Questo team ha un insieme di abilità impressionante e unico con un'elevata competenza in materia di hardware, pianificazione operativa e analisi dei dati, " disse Inverno, che guida i contributi Muon g-2 da Argonne. "Hanno dato un contributo fondamentale all'esperimento, e non avremmo potuto ottenere questi risultati senza il loro lavoro".

Per derivare il vero g-2 del muone, gli scienziati del Fermilab producono fasci di muoni che viaggiano in circolo attraverso un grande, anello cavo in presenza di un forte campo magnetico. Questo campo mantiene i muoni nell'anello e fa ruotare la direzione di rotazione del muone. La rotazione, che gli scienziati chiamano precessione, è simile alla rotazione dell'asse terrestre, solo molto, più veloce.

Per calcolare g-2 con la precisione desiderata, gli scienziati devono misurare due valori con una certezza molto elevata. Uno è la velocità della precessione di spin del muone mentre attraversa l'anello. L'altro è l'intensità del campo magnetico che circonda il muone, che ne influenza la precessione. È qui che entra in gioco Argonne.

Gita sul campo

Sebbene i muoni viaggino attraverso un campo magnetico straordinariamente costante, le variazioni di temperatura ambiente e gli effetti dell'hardware dell'esperimento causano lievi variazioni in tutto l'anello. Anche questi piccoli cambiamenti nell'intensità del campo, se non contabilizzato, può avere un impatto significativo sulla precisione del calcolo g-2.

Per correggere le variazioni di campo, gli scienziati misurano costantemente il campo di deriva utilizzando centinaia di sonde montate sulle pareti dell'anello. Inoltre, inviano un carrello intorno all'anello ogni tre giorni per misurare l'intensità del campo attraverso il quale passa effettivamente il fascio di muoni. Sul carrello sono montate delle sonde che mappano il campo magnetico con una precisione incredibilmente elevata su tutta la circonferenza di 45 metri dell'anello.

Per raggiungere l'obiettivo finale di incertezza inferiore a 70 parti per miliardo (circa 2,5 volte meglio della misurazione sul campo nell'esperimento precedente), Gli scienziati di Argonne hanno rinnovato il sistema di carrelli utilizzato nell'esperimento di Brookhaven con capacità di comunicazione avanzate e nuovi, sonde di campo magnetico ultraprecise sviluppate dall'Università di Washington.

Il carrello fa il giro dell'anello in entrambe le direzioni, prendendo circa 9, 000 misurazioni per sonda e direzione. Gli scienziati utilizzano le misurazioni per ricostruire sezioni del campo magnetico e quindi ricavare un'immagine completa, Mappa 3D del campo sul ring. I valori di campo nei punti sulla mappa entrano nel calcolo g-2 per i muoni che passano attraverso quelle posizioni. Migliori sono le misurazioni sul campo, più significativo è il risultato finale.

Gli scienziati hanno anche convertito alcuni dei segnali analogici utilizzati nel vecchio esperimento in segnali digitali per aumentare la quantità di dati che potevano ottenere dalle sonde. Ciò ha richiesto un'ingegneria complessa del sistema di comunicazione del carrello per ridurre al minimo i disturbi ai meccanismi di ispezione sensibili.

"È stato piuttosto difficile far funzionare il carrello in modo fluido e sicuro. Richiedeva che il sistema di controllo gestisse le operazioni di routine ma anche identificasse le emergenze e reagisse in modo appropriato, " disse Hong, il cui background sia nella ricerca scientifica che nell'ingegneria è stato fondamentale per progettare il carrello in modo che funzioni con interruzioni limitate all'esperimento.

Il team prevede di aggiornare il sistema del carrello per il prossimo periodo di raccolta dati per migliorare ulteriormente le misurazioni riducendo l'incertezza a poco a poco.

Ritocchi

In esperimenti di precisione come Muon g-2, l'obiettivo principale è ridurre qualsiasi incertezza sistematica o errore che potrebbe influenzare le misurazioni.

"Misurare i numeri grezzi è relativamente facile:capire quanto bene conosciamo i numeri è la vera sfida, " disse Corrodi, un postdottorato nella divisione di Fisica delle Alte Energie (HEP) di Argonne.

Per garantire la precisione delle misurazioni del campo magnetico, gli scienziati hanno calibrato le sonde utilizzando il 4-Tesla Solenoid Facility di Argonne, che ospita un magnete di un precedente scanner per risonanza magnetica (MRI). Il magnete produce un campo magnetico uniforme e stabile con oltre 400 volte la forza di un magnete da frigorifero.

Gli scienziati di Argonne hanno calibrato le sonde nel carrello rispetto alle letture di una sonda progettata e testata all'interno del magnete del solenoide. Questo processo garantisce che le sonde leggano ciascuna la stessa misurazione quando si trovano nello stesso campo magnetico e consente agli scienziati di apportare correzioni accurate. La struttura di prova ha permesso agli scienziati di ottenere misurazioni sul campo fino a diverse parti per miliardo, come misurare il volume d'acqua in una piscina fino alla goccia.

"Oltre a calibrare le sonde, abbiamo migliorato le misurazioni sul campo regolando al volo le impostazioni di funzionamento, " disse Corrodi, "Durante l'analisi dei dati, abbiamo trovato alcuni effetti che non ci aspettavamo."

Quando Corrodi e il team hanno riscontrato anomalie nei dati, hanno studiato il sistema per individuare la causa. Per esempio, alcuni dispositivi nell'anello focalizzano il fascio di muoni per mantenerlo centrato. Questi dispositivi, però, disturbare leggermente il campo magnetico nell'anello. Gli scienziati hanno progettato un modo per misurare questo effetto al fine di rimuoverlo dall'analisi.

Mettere tutto insieme

Il viaggio dei dati del campo magnetico dalla sonda al computer è complesso. Corrodi, Hong e altri hanno configurato l'hardware e il software per leggere i dati dalle sonde sul campo con l'ora e la posizione corrette. Dovevano anche dare un senso ai dati, che iniziano in codice binario, al fine di integrarli con il quadro di analisi comune per l'esperimento.

"Dovevamo convertire i dati grezzi in qualcosa con cui potevamo lavorare, " disse Hong, "ed eravamo incaricati del controllo della qualità dei dati, determinare quali dati difettosi scartare nell'analisi g-2 finale."

Corrodi guiderà il team di analisi per il campo magnetico, risolvere i conflitti con le apparecchiature e assicurarsi che i vari team nell'esperimento convergano sul risultato successivo, disse Inverno. "È davvero necessario comprendere l'intera analisi sul campo per raggiungere i nostri obiettivi scientifici".

Il futuro degli esperimenti sui muoni

La prima cosa che gli scienziati intendono fare è ricontrollare i risultati.

"Finora, la precisione della misurazione finale g-2 è paragonabile a quella dell'esperimento Brookhaven, ma ciò è dominato dal fatto che i dati sono finora limitati, " ha detto Corrodi. "Abbiamo analizzato solo il 6% dei dati che prevediamo di rilevare l'intero esperimento. Questi dati aggiunti ridurranno significativamente l'incertezza".

Il primo risultato è anche incoraggiante per gli scienziati che stanno conducendo altri esperimenti sui muoni presenti e pianificati, compreso un futuro esperimento g-2 che sarà condotto in Giappone, e il prossimo esperimento sui muoni al Fermilab, l'esperimento Mu2e. Questi progetti stanno già utilizzando il Solenoid Facility di Argonne per calibrare in modo incrociato le loro sonde di campo magnetico con quelle utilizzate al Fermilab.

"Potrebbe esserci un rinnovato sforzo per cercare muoni al Large Hadron Collider, cercando possibili indizi della nuova fisica dietro il valore g-2, " disse Carlos Wagner, un fisico teorico nell'HEP di Argonne, che lavora per cercare di spiegare questi fenomeni. "Potrebbe anche esserci un rinnovato interesse per la costruzione di un collisore di muoni, che potrebbe fornire un modo diretto per verificare questa nuova fisica".

Una volta che gli scienziati avranno capito questa nuova fisica, potrebbe essere in grado di informare modelli cosmologici e quantomeccanici, o anche aiutare gli scienziati a inventare nuove tecnologie lungo la strada:il prossimo film termoretraibile, forse.

La collaborazione ha pubblicato un documento sul risultato in Lettere di revisione fisica , intitolato "Misura del momento magnetico anomalo del muone positivo a 0,46 ppm". Un articolo sulla misurazione del campo magnetico è stato pubblicato anche su Revisione fisica A , intitolato "Misurazione e analisi del campo magnetico per l'esperimento Muon g—2 al Fermilab".