Guías de campo: Científicos refuerzan evidencia de nueva física en experimento Muon g-2


Ran Hong (izquierda) de Argonne y Simon Corrodi (derecha) instalando la sonda de calibración en las 4 instalaciones de Tesla Solenoid. Crédito: Laboratorio Nacional Mark López/Argonne

Los científicos están probando nuestra comprensión fundamental del universo, y hay mucho más por descubrir.

¿Qué tienen en común las pantallas táctiles, la radioterapia y la envoltura retráctil? Todos ellos fueron posibles gracias a la investigación de física de partículas. Los descubrimientos de cómo funciona el universo a la menor escala a menudo conducen a enormes avances en la tecnología que usamos todos los días.

Científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de Estados Unidos (DOE) y del Laboratorio Nacional de Aceleradores Fermi, junto con colaboradores de otras 46 instituciones y siete países, están llevando a cabo un experimento para poner a prueba nuestra comprensión actual del universo. El primer resultado apunta a la existencia de partículas o fuerzas no descubiertas. Esta nueva física podría ayudar a explicar misterios científicos de larga data, y la nueva visión se suma a un almacén de información que los científicos pueden aprovechar al modelar nuestro universo y desarrollar nuevas tecnologías.

El experimento, Muon g-2 (pronunciado Muon g menos 2), sigue a uno que comenzó en los años 90 en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, en el que los científicos midieron una propiedad magnética de una partícula fundamental llamada muón.

El experimento Brookhaven produjo un resultado que difirió del valor predicho por el Modelo Estándar, la mejor descripción de los científicos del maquillaje y el comportamiento del universo hasta la fecha. El nuevo experimento es una recreación de Brookhaven, construida para desafiar o afirmar la discrepancia con mayor precisión.

El modelo estándar predice con mucha precisión el factor G del muón, un valor que indica a los científicos cómo se comporta esta partícula en un campo magnético. Se sabe que este factor G está cerca del valor dos, y los experimentos miden su desviación de dos, de ahí el nombre Muon g-2.

El experimento en Brookhaven indicó que el g-2 difiere de la predicción teórica en unas pocas partes por millón. Esta diferencia minúscula insinuó la existencia de interacciones desconocidas entre el muón y el campo magnético, interacciones que podrían implicar nuevas partículas o fuerzas.

El primer resultado del nuevo experimento está fuertemente de acuerdo con el de Brookhaven, fortaleciendo la evidencia de que hay nueva física por descubrir. Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con respecto al modelo estándar en un significado de 4.2 sigma (o desviaciones estándar), ligeramente menos que el 5 sigma que los científicos requieren para reclamar un descubrimiento, pero todavía evidencia convincente de nueva física. La probabilidad de que los resultados sean una fluctuación estadística es de aproximadamente 1 de cada 40.000.

Las partículas más allá del modelo estándar podrían ayudar a explicar fenómenos desconcertantes en la física, como la naturaleza de la materia oscura, una sustancia misteriosa y generalizada que los físicos saben que existe pero aún no han detectado.

"Este es un resultado increíblemente emocionante", dijo Ran Hong de Argonne, un designado postdoctoral que trabajó en el experimento Muon g-2 durante más de cuatro años. "Estos hallazgos podrían tener implicaciones importantes para futuros experimentos de física de partículas y podrían conducir a una comprensión más fuerte de cómo funciona el universo".

El equipo de científicos de Argonne contribuyó significativamente al éxito del experimento. El equipo original, reunido y dirigido por el físico Peter Winter, incluía Hong y Simon Corrodi de Argonne, así como Suvarna Ramachandran y Joe Grange, que desde entonces han dejado Argonne.

"Este equipo tiene un conjunto de habilidades impresionante y único con alta experiencia en hardware, planificación operativa y análisis de datos",dijo Winter, quien lidera las contribuciones de Muon g-2 de Argonne. "Hicieron contribuciones vitales al experimento, y no podríamos haber obtenido estos resultados sin su trabajo".

Para derivar el verdadero g-2 del muón, los científicos de Fermilab producen haces de muones que viajan en círculo a través de un anillo grande y hueco en presencia de un fuerte campo magnético. Este campo mantiene a los muones en el ring y hace que la dirección del giro de un muón gire. La rotación, que los científicos llaman precesión, es similar a la rotación del eje de la Tierra, sólo mucho, mucho más rápido.

Para calcular el g-2 a la precisión deseada, los científicos necesitan medir dos valores con muy alta certeza. Una es la tasa de precesión de giro del muón a medida que atraviesa el anillo. La otra es la fuerza del campo magnético que rodea al muón, que influye en su precesión. Ahí es donde entra Argonne.
Sonda de calibración dentro del imán solenoide en la instalación solenoide Tesla de 4 Tesla de Argonne. Crédito: Mark López, Laboratorio Nacional de Argonne

excursión

Aunque los muones viajan a través de un campo magnético impresionantemente constante, los cambios de temperatura ambiente y los efectos del hardware del experimento causan ligeras variaciones en todo el anillo. Incluso estos pequeños cambios en la fuerza del campo, si no se tienen en cuenta, pueden afectar significativamente la precisión del cálculo g-2.

Con el fin de corregir las variaciones de campo, los científicos miden constantemente el campo de deriva utilizando cientos de sondas montadas en las paredes del anillo. Además, envían un carro alrededor del anillo cada tres días para medir la fuerza de campo por la que realmente pasa el haz muón. Montados en el carro hay sondas que mapean el campo magnético con una precisión increíblemente alta a lo largo de la circunferencia de 45 metros del anillo.

Para alcanzar el objetivo final de incertidumbre de menos de 70 partes por mil millones (alrededor de 2,5 veces mejor que la medición de campo en el experimento anterior), los científicos de Argonne renovaron el sistema de carros utilizado en el experimento Brookhaven con habilidades avanzadas de comunicación y nuevas sondas de campo magnético ultraprecisas desarrolladas por la Universidad de Washington.

El carro va alrededor del anillo en ambas direcciones, tomando alrededor de 9.000 mediciones por sonda y dirección. Los científicos utilizan las mediciones para reconstruir las rodajas del campo magnético y luego derivar un mapa 3D completo del campo en el anillo. Los valores de campo en los puntos del mapa entran en el cálculo g-2 para los muones que pasan a través de esas ubicaciones. Cuanto mejores sean las mediciones de campo, más significativo será el resultado final.

Los científicos también convirtieron algunas de las señales analógicas utilizadas en el antiguo experimento en señales digitales para aumentar la cantidad de datos que podían obtener de las sondas. Esto requirió una ingeniería compleja del sistema de comunicaciones del carro para minimizar las perturbaciones a los mecanismos de sondeo sensibles.

"Fue muy difícil hacer que el carro funcionara sin problemas y con seguridad. Requería que el sistema de control manejara las operaciones rutinarias, pero también identificara emergencias y reaccionara adecuadamente", dijo Hong, cuyos antecedentes tanto en investigación científica como en ingeniería fueron cruciales para diseñar el carro para operar con interrupciones limitadas en el experimento.

El equipo planea actualizar el sistema de carros para el próximo período de toma de datos para mejorar aún más las mediciones reduciendo la incertidumbre poco a poco.

Ajuste fino

En experimentos de precisión como Muon g-2, el objetivo principal es reducir cualquier incertidumbre o error sistemático que pueda afectar a las mediciones.

"Medir los números brutos es relativamente fácil, averiguar qué tan bien sabemos que los números son el verdadero desafío", dijo Corrodi, un designado postdoctoral en la división de Física de Alta Energía (HEP) de Argonne.

Para garantizar la precisión de las mediciones del campo magnético, los científicos calibraron las sondas utilizando la instalación solenoide de 4 Tesla de Argonne, que alberga un imán de un antiguo escáner de resonancia magnética (RM). El imán produce un campo magnético uniforme y estable con más de 400 veces la fuerza de un imán de refrigerador.

Los científicos de Argonne calibraron las sondas en el carro contra las lecturas de una sonda que fue diseñada y probada dentro del imán solenoide. Este proceso garantiza que las sondas lean cada una la misma medición cuando están en el mismo campo magnético y permite a los científicos realizar correcciones precisas. La instalación de pruebas permitió a los científicos lograr mediciones de campo de hasta varias partes por mil millones, como medir el volumen de agua en una piscina hasta la caída.

"Además de calibrar las sondas, mejoramos las mediciones de campo ajustando la configuración de operación sobre la marcha", dijo Corrodi, "Durante el análisis de datos, encontramos algunos efectos que no esperábamos".

Cuando Corrodi y su equipo vieron fallos en los datos, investigaron el sistema para identificar la causa. Por ejemplo, ciertos dispositivos en el anillo enfocan el haz muón para mantenerlo centrado. Estos dispositivos, sin embargo, interrumpen ligeramente el campo magnético en el anillo. Los científicos diseñaron una manera de medir este efecto con el fin de eliminarlo del análisis.

Juntarlo todo

El viaje de los datos del campo magnético de la sonda al ordenador es complejo. Corrodi, Hong y otros configuraron el hardware y el software para leer los datos de las sondas de campo con las marcas de hora y ubicación correctas. También tenían que dar sentido a los datos, que comienzan en código binario, con el fin de integrarlos con el marco de análisis común para el experimento.

"Tuvimos que convertir los datos sin procesar en algo con lo que podíamos trabajar", dijo Hong, "y estábamos a cargo del control de calidad de los datos, determinando qué datos defectuosos descartar en el análisis g-2 definitivo".

Corrodi dirigirá el equipo de análisis para el campo magnético, resolviendo conflictos con el equipo y asegurándose de que los diversos equipos en el experimento converjan en el próximo resultado, dijo Winter. "Realmente necesita entender todo el análisis de campo para alcanzar nuestros objetivos científicos."

El futuro de los experimentos muones

Lo primero que los científicos planean hacer es verificar los resultados.

"Hasta ahora, la precisión de la medición definitiva del g-2 es comparable a la del experimento Brookhaven, pero eso está dominado por el hecho de que los datos están limitados hasta ahora", dijo Corrodi. "Sólo hemos analizado el 6% de los datos que planeamos tomar sobre todo el experimento. Esos datos añadidos reducirán significativamente la incertidumbre".

El primer resultado también es alentador para los científicos que llevan a cabo otros experimentos de muones presentes y planeados, incluyendo un futuro experimento g-2 que se llevará a cabo en Japón, y el próximo experimento muón en Fermilab, el experimento Mu2e. Estos proyectos ya están utilizando la Instalación Solenoide de Argona para calibrar sus sondas de campo magnético con las utilizadas en Fermilab.

"Podría haber un esfuerzo renovado para buscar muones en el Gran Colisionador de Hadrones,buscando posibles indicios de la nueva física detrás del valor g-2", dijo Carlos Wagner, un físico teórico en el HEP de Argona, que trabaja para tratar de explicar estos fenómenos. "También podría haber un renovado interés en la construcción de un colisionador de muones, lo que podría proporcionar una forma directa de comprobar esta nueva física"."

Una vez que los científicos se encargan de esta nueva física, puede ser capaz de informar a los modelos mecánicos cosmológicos y cuánticos, o incluso ayudar a los científicos a inventar nuevas tecnologías en el camino, la próxima envoltura retráctil, tal vez.

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