Muon g-2 saradnja najavila je svoje dugo očekivano ažurirano merenje. Novi rezultat je u skladu sa prvim rezultatom saradnje, objavljenim 2021. — i dvostruko je precizniji. U stvari, to je najpreciznije merenje ikada napravljeno pomoću akceleratora čestica.
Saradnja se sastoji od 181 naučnika iz sedam zemalja i 33 institucije, uključujući Nacionalnu laboratoriju Argonne Ministarstva energetike SAD (DOE). Eksperiment se odvija u Fermi nacionalnoj akceleratorskoj laboratoriji DOE i ima za cilj da izmeri magnetna svojstva miona, fundamentalne čestice čije ponašanje može ukazivati na postojanje novih čestica ili sila.
Drugi Argonne naučnici na eksperimentu Muon g-2 su postdoktorski istraživači Iongii Vu i Sam Grant, koji će maksimizirati preciznost u određivanju magnetnog polja za preostale skupove podataka. Saradnja opisuje rezultat u radu koji su poslali u Phisical Reviev Letters.
Mioni imaju kvantno mehaničko svojstvo zvano spin, zbog čega se ponašaju kao mali magnet. Kada se stavi u magnetno polje, unutrašnji magnet miona vrši precesiju, slično kao što se vrti vrh. Brzina ovog kolebanja određena je veličinom poznatom kao magnetni moment, koji naučnici predstavljaju slovom ‘g’.
Početkom 2000-ih, eksperiment u Nacionalnoj laboratoriji DOE u Brukhejvenu izmerio je magnetni moment miona i otkrio neslaganje između eksperimentalnog rezultata i onoga što je predviđeno Standardnim modelom, trenutnog razumevanja naučnika o česticama i silama u univerzumu. Fermilab Muon g-2 eksperiment je rekreacija Brukhevenovog, napravljen da izazove ili potvrdi neslaganje sa četvorostrukom preciznošću.
„Sa ovim drugim rezultatom, poboljšali smo preciznost za nešto više od dva puta u odnosu na eksperiment u Brukhejvenu i na naš prvi rezultat“, rekao je fizičar iz Argona Peter Vinter, ko-portparol Muon g-2 saradnje. „Na dobrom smo putu da poboljšamo krajnju preciznost za faktor četiri do kraja naše analize.
Tokom eksperimenta, snop miona putuje stotine do hiljade puta oko velikog, šupljeg prstena pod uticajem jakog magnetnog polja. Dok mioni kruže oko prstena brzinom koja je blizu svetlosti, magnetno polje izaziva precesiju njihovih obrtaja, a nalet takozvanih virtuelnih čestica utiče na tu precesiju. Naučnici određuju ‘g’ tako što detektuju precesije spina miona i izuzetno precizno mere jačinu magnetnog polja u prstenu.
Na najjednostavnijem nivou, teorija predviđa da je ‘g’ dva. Ali suptilni uticaji virtuelnih čestica koje iskaču i nestaju mogu uticati na precesiju spina miona, uzrokujući da njegovo pravo ‘g’ bude nešto veće od dva. Saradnja meri ovu razliku, pa otuda i naziv Muon g-2 (izgovara se Muon g minus dva).
„Svaka čestica koja postoji igra ulogu u tome kako se mion ponaša u magnetnom polju“, rekao je pomoćnik fizičara iz Argona Jurij Oksuzian, menadžer proizvodnje za saradnju Muon g-2. „Umesto da pokušavamo da direktno posmatramo ove virtuelne čestice, mi merimo njihove efekte na ponašanje miona.“
Novi eksperimentalni rezultat za g-2 je 0,00233184110. Merenje potkrepljuje rezultat najavljen 2021. sa preciznošću bez presedana od 0,20 delova na milion. Uključuje podatke uzeti tokom prve tri od šest godina eksperimenta.
Dve vrste nesigurnosti utiču na ukupnu preciznost merenja. Statistička nesigurnost zavisi od količine analiziranih podataka; što više podataka, to su naučnici sigurniji o njihovim rezultatima. Statistička nesigurnost je bila +/- 0,00000000043. Sa manje od polovine ukupnih analiziranih podataka, tim je već na pola puta da ispuni svoj krajnji cilj statističke neizvesnosti.
„Prikupili smo ogroman skup podataka—više od 21 puta veći od skupa podataka u Brukhejvenu“, rekao je Oksuzian, koji predvodi napore da se obradi i pripremi veliki broj podataka za analizu. Saradnja ima za cilj da obuhvati svih šest godina podataka u narednih nekoliko godina.
Drugi faktor, sistematska neizvesnost, zasniva se na eksperimentalnim nesavršenostima, na kojima su naučnici Muon g-2 marljivo radili da minimiziraju u poslednjih nekoliko godina. Ova nesigurnost je bila +/- 0,00000000019.
„Činimo sve što možemo da izvučemo maksimum iz ovih merenja“, rekao je pomoćnik fizičara iz Argona Simon Korodi, koji je vodio analizu kao koordinator terenske analize i operativni menadžer za Muon g-2. „Sada smo dostigli ukupnu sistematsku nesigurnost od 70 delova na milijardu, što daleko prevazilazi naš krajnji cilj od manje od 100 delova na milijardu. Corrodi će sada služiti kao koordinator analize za preostale velike skupove podataka.
Jedan od glavnih doprinosa naučnika iz Argona bilo je precizno merenje jačine magnetnog polja oko prstena. Iako mioni putuju kroz impresivno konstantno magnetno polje, promene temperature okoline i efekti hardvera eksperimenta uzrokuju male varijacije u polju. Da bi izmerili ove varijacije, naučnici su postavili stotine sondi na zidove prstena. Takođe su slali kolica puna sondi oko prstena svakih nekoliko dana.
Da bi se osiguralo da sonde daju tačna očitavanja, naučnici ih kalibriraju pomoću postrojenja za ispitivanje magneta sa solenoidom u Argonneu. Postrojenje je omogućilo naučnicima da postignu merenja na terenu na samo nekoliko delova na milijardu – kao što je merenje zapremine vode u bazenu do pada.
Tokom narednih nekoliko godina, saradnja teoretskih i eksperimentalnih fizičara poznatih kao Inicijativa za teoriju Muona g-2 će biti naporno na poslu da razreši napetost između dva načina izračunavanja predviđanja g-2 Standardnog modela. U 2020. godini, inicijativa je objavila najbolje predviđanje Standardnog modela za g-2 dostupno u to vreme. Ali novi proračun zasnovan na drugačijem teorijskom pristupu – teoriji merača rešetke – ne slaže se sa proračunom za 2020.
„Naše precizno merenje je sada još važnije jer pokušavamo da razumemo teorijske razlike“, rekao je Korodi. „To je prelep primer dijaloga između teorije i eksperimenta.
