Muon g-2

A mágnes a Fermilabon. Eredetileg a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban végzett előző kísérlethez fejlesztették ki . A geometria nagyon egyenletes mágneses teret enged a gyűrűben.

A Muon g-2 egy részecskefizikai kísérlet a Fermilabon , amelynek célja a müon Landé-tényezőjének (g-tényező) pontosabb mérése. A Landé-faktor leírja a kvantummechanikai mágneses tér erősségének és a klasszikus fizikától elvárt aránynak az arányát, a müonok esetében a tényező valamivel nagyobb, mint 2. A 2-től való eltérést 0,14 ppm pontossággal kell mérni. Mivel a várható eltérés hasonló pontossággal megjósolható, ez a standard modell pontos tesztje . Ha az előrejelzés és a mért érték nem egyezik, akkor ez a szokásos modellen túli fizika jelzése, például még fel nem fedezett részecskék. Korábbi kísérletek enyhe eltérést találtak, de nem voltak elég érzékenyek ahhoz, hogy kizárják a mért érték véletlenszerű ingadozását.

történelem

A gyűrűs mágnes 2014 júliusában éri el a Fermilab MC1 kísérleti csarnokát.

A müon g-faktorát több kísérletben mértük. Az eddigi legpontosabb mérést a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumban végezték 2001-ig . A Fermilabnál ezt a kísérletet most már nagyobb pontossággal kell folytatni. Erre a célra a kísérlet legnagyobb részét a gyűrűs elektromágneset 2013-ban a Brookhaven Nemzeti Laboratóriumból szállították az USA keleti partvidéke és a Mississippiből a Fermilabba. A mágnest helyreállították és 2015 szeptemberében üzembe helyezték. A tesztek azt mutatták, hogy túlélte a szállítást, a mágneses mező minősége változatlan maradt.

2016 októberéig a mágneses teret alátétekkel még egységesebbé tették, mint korábban , az átlagos értéktől való átlagos eltérést 0,14% -ról 0,02% -ra csökkentették.

2017. május 31-én bevezették az első müonokat a gyűrűbe, és megkezdődött az adatgyűjtés.

Landé-tényező

A töltött leptonok ( elektronok , müonok és tauonok ) Landé-tényezője 2 körül van. Az ebből fakadó kis eltérések („anomális mágneses momentum”) kvantumtérelmélet segítségével kiszámíthatók. A perturbációelméletben a g = 2 a vezető sorrend, a magasabb rendek ennek az értéknek a kis korrekcióihoz vezetnek. Nagy pontossággal számíthatók. Az elektronok esetében az előrejelzés és a kísérlet 10−12- nél jobb relatív pontossággal egyezik meg , az elméleti előrejelzéshez több mint 10 000 Feynman-diagramot vettek figyelembe. A müonok mérése nehezebb, mert gyorsan lebomlanak. Az elméleti előrejelzések szintén kevésbé pontosak, mert a nagyobb müon tömeg miatt a kvantum kromodinamikának van nagy szerepe, amelyet itt nem lehet a perturbáció elmélet szempontjából kezelni. Új, még ismeretlen részecskék befolyásolhatják az értéket; minél nehezebb a lepton, annál nagyobb a befolyás. A muonoknak 200-szorosa az elektronok tömege, ezért a nehezebb mérések ellenére alkalmasabbak ismeretlen nehéz részecskék keresésére. A g-faktor mérése és az új részecskék közvetlen keresése olyan gyorsítókban, mint az LHC, kiegészítik egymást . A taunák még nehezebbek, mint a müonok, de túl rövid életűek ahhoz, hogy megbízhatóan meg lehessen mérni a Landé-faktort.

Az előző kísérlet mérési eredménye 3,4 szórás volt az elméleti előrejelzéstől. A Fermilabnál most megvizsgálják, hogy ez véletlenszerű ingadozás volt-e, vagy valóban eltér- e az érték a standard modell elméleti előrejelzéseitől . Többek között a vizsgált müonok számát 20-szorosára kell növelni.

A kísérlet felépítése

A kísérlet központi eleme a 14 méter átmérőjű szupravezető mágnes, amelyben rendkívül egyenletes mező uralkodik. (Anti-) müonok (μ + ) köröznek benne , mielőtt lebomlanak. A bomlás során keletkezett pozitronokat rögzítjük. A müon Landé-tényezője a detektált positronok térbeli és időbeli eloszlásából határozható meg.

detektor

Két PbF 2 kristály (25 mm × 25 mm × 140 mm), burkolattal vagy anélkül, szilícium fényszorzókkal együtt
A szalmadetektor része, amely az elektronok repülésének helyzetét és irányát méri .

A pozitronok 24 PbF 2 - mért kaloriméterek , amelyeket egyenlő időközönként helyeznek el a gyűrű belseje mentén. A kaloriméterek a pozitronok energiáját és megérkezési idejüket mérik (a müonok gyűrűbe való injektálásához viszonyítva). A kalorimétereket szilícium fényszorzóval olvassák le .

Amellett, hogy a kaloriméter, a kísérletet szalma detektorok a pálya detektorok . Ezeket elsősorban a müonnyaláb helyzetének és szélességének monitorozására, valamint a teljes bomlási sebesség meghatározására használják.

Mágneses mező

A g-2 kívánt pontossággal történő méréséhez az átlagos mágneses teret 7 · 10 −8 relatív pontossággal kell ismerni . Erre a célra protonmagmágneses rezonancia eszközök vannak a gyűrűben . Közülük 378 állandóan telepítve van, és tartósan méri a mágneses teret. Ezenkívül a kísérletnek van egy 17 mérőeszközzel ellátott szekere, amelyekkel a mágneses mező a gyűrű mentén bárhol mérhető, ha nincsenek müonok a gyűrűben. A mágneses mező és a müon bomlásának mérései váltakoznak; a mágneses teret általában naponta egyszer, két órán keresztül mérik.

Eredmények

2021 áprilisában a Muon g-2 együttműködés közzétette a kísérlet első eredményeit. A rendellenes mágneses pillanat eredménye az volt

,

ami 0,46 ppm pontosságnak felel meg. A mérési pontatlanságok körében ez az eredmény megegyezik a Brookhaveni Nemzeti Laboratórium eredményeivel, és 3,3 szórástól eltér a standard modell előrejelzésétől. Brookhaven és Fermilab együttes eredménye,

,

összesen 4,2 szórással tér el az előrejelzéstől, ami egy statisztikai ingadozás 1: 100 000 valószínűségének felel meg.

együttműködés

Nyolc ország mintegy 200 tudósa vesz részt a kísérletben, főleg az Egyesült Államokból és Olaszországból.

Egyéni bizonyíték

  1. ↑ Muon g-2 ( en ) Letöltve: 2017. április 26.
  2. ↑ Elizabeth Gibney: müonok nagy pillanat volt az üzemanyag új fizika . In: Természet . 544. szám, 7649. szám, 2017. április 13., 145–146. doi : 10.1038 / 544145a .
  3. ↑ Muon g-2 | Rejtély ( ek ) megoldása Hozzáférés: 2017. június 29
  4. ↑ A nagy mozgás
  5. ↑ A Muon g-2 tároló gyűrű új életet kezd - CERN Courier ( en ) Letöltve: 2017. augusztus 16.
  6. ↑ Wesley Gohn: A Muon g-2 kísérlet a Fermilabban
  7. ↑ Elérkezett a Muon mágnes pillanata , a Fermilab sajtóközleménye
  8. ↑ a b FNAL g-2 kísérlet . Letöltve: 2017. április 30.
  9. ↑ K. Hagiwara, AD Martin, Daisuke Nomura, T. Teubner: Javított előrejelzések a müon és . In: Physics Letters B . 649, 2-3. Szám, 2007. május, 173–179. arxiv : hep-ph / 0611102 . doi : 10.1016 / j.physletb.2007.04.012 .
  10. ↑ JL Holzbauer: A Muon g-2 kísérlet áttekintése és állapota 2016. júniusától . In: J.Phys.Conf.Ser. . 770, 2016. december 9., 012038. pp. Doi : 10.1088 / 1742-6596 / 770/1/012038 .
  11. ↑ a b c J. Grange, V. Guarino, P. Winter, K. Wood, H. Zhao, R. Carey, D. gastler, E. Hazen, N. Kinnaird: Muon (g-2) Műszaki tervezési jelentés . In: Műszerek és detektorok . 2015, arxiv : 1501.06858 .
  12. ^ Muon g - 2 Együttműködés: A pozitív Muon anomális mágneses pillanat mérése 0,46 ppm-re . In: Fizikai áttekintő levelek . szalag 126 , no. 14 , április 7, 2021 p. 141801 , doi : 10.1103 / PhysRevLett.126.141801 ( aps.org [Hozzáférés: 2021. április 8.]).
  13. ^ Muon g-2: Együttműködés. In: muon-g-2.fnal.gov. A Fermi Research Alliance , 2017. április 26 .

web Linkek