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Muon g − 2 (pronunciado "gee menos dos") es un experimento de física de partículas en Fermilab para medir el momento dipolar magnético anómalo de un muón con una precisión de 0,14 ppm , [1] que es una prueba sensible del Modelo Estándar . [2] También podría proporcionar evidencia de la existencia de nuevas partículas. [3] [4] [5]
El muón, al igual que su hermano más ligero, el electrón, actúa como un pequeño imán. El parámetro conocido como " factor g " indica la potencia del imán y la velocidad de su giro en un campo magnético aplicado externamente. Esta velocidad de giro es la que se mide indirectamente en el experimento Muon g − 2.
El valor de g es ligeramente mayor que 2, de ahí el nombre del experimento. Esta diferencia con respecto a 2 (la parte "anómala") se debe a contribuciones de orden superior de la teoría cuántica de campos . Al medir g − 2 con alta precisión y comparar su valor con la predicción teórica, los físicos descubrirán si el experimento concuerda con la teoría. Cualquier desviación indicaría la existencia de partículas subatómicas aún no descubiertas en la naturaleza. [6]
El 9 de julio de 2023, la colaboración Fermilab concluyó el experimento después de seis años de recopilación de datos. [7] Los resultados iniciales (basados en datos del primer año de funcionamiento del experimento) se publicaron el 7 de abril de 2021. [8] [9] [10] Los resultados de los primeros tres años de recopilación de datos se anunciaron en agosto de 2023. [4] [5] Está previsto que los resultados finales, basados en los seis años completos de recopilación de datos, se publiquen en 2025. [7]
Los primeros experimentos con muones g − 2 comenzaron en el CERN en 1959 por iniciativa de Leon M. Lederman . [11] [12] [13] Un grupo de seis físicos formó el primer experimento, utilizando el Sincrociclotrón del CERN. Los primeros resultados se publicaron en 1961, [14] con una precisión del 2% respecto al valor teórico, y luego los segundos con una precisión del 0,4%, validando así la teoría de la electrodinámica cuántica.
En 1966 se inició un segundo experimento con un nuevo grupo, que trabajaba esta vez con el Sincrotrón de Protones , también del CERN. Los resultados eran 25 veces más precisos que los anteriores y mostraban una discrepancia cuantitativa entre los valores experimentales y los teóricos, por lo que los físicos tuvieron que recalcular su modelo teórico.
El tercer experimento, que comenzó en 1969, publicó sus resultados finales en 1979, [15] confirmando la teoría con una precisión del 0,0007%.
Estados Unidos se hizo cargo del experimento g − 2 en 1984. [16]
La siguiente etapa de la investigación del muón g − 2 se llevó a cabo en el Sincrotrón de Gradiente Alternado del Laboratorio Nacional Brookhaven (BNL) ; el experimento se conoció como experimento ( BNL ) Muon E821 , [17] pero también se lo ha llamado "experimento del muón en el BNL" o "(muón) g − 2 en el BNL", etc. [7] El experimento Muon g − 2 de Brookhaven se construyó entre 1989 y 1996 y recopiló datos entre 1997 y 2001. [18]
El experimento se realizó de manera similar al último de los experimentos del CERN con el objetivo de lograr una precisión 20 veces mejor. La técnica implicó almacenar muones de 3,094 GeV en un campo magnético medido uniformemente y observar la diferencia de la precesión del espín del muón y la frecuencia de rotación mediante la detección de los electrones de desintegración del muón. El avance en la precisión se basó fundamentalmente en un haz mucho más intenso que el disponible en el CERN y en la inyección de muones en el anillo de almacenamiento, mientras que los experimentos anteriores del CERN habían inyectado piones en el anillo de almacenamiento, de los cuales solo una pequeña fracción se desintegra en muones que se almacenan. El experimento utilizó un campo magnético mucho más uniforme utilizando un imán de anillo de almacenamiento superconductor superférrico, un imán inflector superconductor pasivo, impulsores rápidos de muones para desviar los muones inyectados hacia órbitas almacenadas, un carro de RMN con tubo de haz que podía mapear el campo magnético en la región de almacenamiento y muchos otros avances experimentales. El experimento tomó datos con muones positivos y negativos entre 1997 y 2001. Su resultado final es un μ = ( g − 2)/2 = 11659208.0(5.4)(3.3) × 10 −10 obtenido por combinación de resultados consistentes con precisión similar de muones positivos y negativos. [19]
Fermilab continúa el experimento realizado en Brookhaven [20] para medir el momento dipolar magnético anómalo del muón . El experimento de Brookhaven finalizó en 2001, pero diez años después Fermilab, que es capaz de producir un haz de muones más puro que Brookhaven, adquirió el equipo. [21] El objetivo es hacer una medición más precisa ( σ menor ) que eliminará la discrepancia entre los resultados de Brookhaven y las predicciones de la teoría o lo confirmará como un ejemplo observable experimentalmente de física más allá del Modelo Estándar .
El imán fue restaurado y encendido en septiembre de 2015, y se confirmó que tiene la misma uniformidad de campo magnético básico de 1,3 ppm que tenía antes del traslado.
En octubre de 2016, el imán fue reconstruido y ajustado cuidadosamente para producir un campo magnético altamente uniforme. Nuevos esfuerzos en Fermilab dieron como resultado una uniformidad general tres veces mejorada, lo cual es importante para la nueva medición en su objetivo de mayor precisión. [22]
En abril de 2017, la colaboración estaba preparando el experimento para la primera prueba de producción con protones, para calibrar los sistemas de detección. El imán recibió su primer haz de muones en su nueva ubicación el 31 de mayo de 2017. [23] La toma de datos estaba prevista hasta 2020. [24]
El 7 de abril de 2021 se publicaron los resultados del experimento de ejecución 1: a μ =0,001 165 920 40 (54) . Los nuevos resultados experimentales promedio mundiales anunciados por la colaboración Muon g − 2 son: factor g :2.002 331 841 22 (82) , momento magnético anómalo:0,001 165 920 61 (41) . Los resultados combinados de Fermilab y Brookhaven muestran una diferencia con la teoría con una significancia de 4,2 sigma (o desviaciones estándar), ligeramente por debajo de los 5 sigma que los físicos de partículas requieren para afirmar un descubrimiento, pero aún evidencia de nueva física. La probabilidad de que una fluctuación estadística produzca resultados igualmente sorprendentes es de aproximadamente 1 en 40.000. [10]
La recopilación de datos finalizó el 9 de julio de 2023, cuando la colaboración apagó el haz de muones, lo que dio por concluido el experimento después de seis años de recopilación de datos. El 10 de agosto de 2023, se anunciaron los resultados de las ejecuciones 1, 2 y 3 (es decir, los primeros tres años de recopilación de datos), que arrojaron un nuevo promedio mundial de μ =0,001 165 920 59 (22) , lo que representa una mejora de dos en el factor de error con respecto a los resultados de 2021. [17] Aunque este resultado experimental es una desviación de 5,1 sigma de la predicción de la teoría del Modelo Estándar de 2020, difiere solo en aproximadamente 1 sigma de la predicción obtenida mediante cálculos de red recientes. Esta discrepancia entre el experimento y la teoría se está estudiando más a fondo. [4] [5]
El experimento del Fermilab alcanzará su medición final y más precisa del momento magnético del muón una vez que los científicos incorporen los seis años de datos en su análisis; el plan es publicar su resultado final en 2025. [7]
El factor g de un leptón cargado ( electrón , muón o tau ) es casi 2. La diferencia con 2 (la parte "anómala") depende del leptón y se puede calcular con bastante precisión basándose en el actual Modelo Estándar de física de partículas . Las mediciones del factor g del electrón concuerdan perfectamente con este cálculo. El experimento de Brookhaven realizó esta medición para los muones, una medición mucho más difícil técnicamente debido a su corta vida útil, y detectó una discrepancia tentadora, pero no definitiva, entre el valor medido y la predicción del Modelo Estándar. [25]
El cálculo de la predicción del factor g del muón según el Modelo Estándar es extremadamente complicado y existen varios enfoques diferentes. La principal dificultad es que el valor se ve afectado por los hadrones virtuales . [26]
En 2020, la Muon g − 2 Theory Initiative publicó su valor de consenso calculado del factor g del muón , basado en métodos perturbativos. [27] [28] En 2021, la colaboración Budapest–Marsella–Wuppertal (BMW) publicó los resultados de los cálculos de QCD en red del factor g [29] [30] que se situaron entre el valor experimental obtenido en Fermilab y el valor teórico calculado por la Muon g − 2 Theory Initiative. Los trabajos posteriores del grupo Coordinated Lattice Simulations (CLS) [31] [32] y la European Twisted Mass Collaboration (ETMC) [33] [34] se han acercado cada uno al valor teórico, lo que sugiere que podría haber errores sistemáticos en la estimación de la relación R de la polarización hadrónica del vacío utilizada por Fermilab. [35]
El elemento central del experimento es un imán superconductor de 15 m de diámetro con un campo magnético excepcionalmente uniforme, utilizado como anillo de almacenamiento . Este fue transportado, en una sola pieza, desde Brookhaven en Long Island , Nueva York, hasta Fermilab en el verano de 2013. El traslado recorrió 5100 km durante 35 días, [36] principalmente en una barcaza por la costa este y a través de Mobile, Alabama , hasta la vía fluvial Tennessee-Tombigbee y luego brevemente por el Mississippi . Los tramos inicial y final se realizaron en un camión especial que viajaba por carreteras cerradas durante la noche.
El experimento Muon g − 2 inyectó muones polarizados de 3,1 GeV/c producidos en el Campus de Muones del Fermilab en el anillo de almacenamiento que fue mejorado significativamente a partir del experimento de Brookhaven.
La medición del momento magnético se realiza mediante 24 detectores calorimétricos electromagnéticos , que se distribuyen uniformemente en el interior del anillo de almacenamiento. Los calorímetros miden la energía y el tiempo de llegada (en relación con el tiempo de inyección) de los positrones de desintegración (y su recuento) a partir de la desintegración del muón en el anillo de almacenamiento. Después de que un muón se desintegra en un positrón y dos neutrinos, el positrón termina con menos energía que el muón original. Por lo tanto, el campo magnético lo curva hacia adentro donde golpea un calorímetro de fluoruro de plomo (II) (PbF 2 ) segmentado leído por fotomultiplicadores de silicio (SiPM). [37]
Los detectores de seguimiento registran la trayectoria de los positrones a partir de la desintegración del muón en el anillo de almacenamiento. El rastreador puede proporcionar una medición del momento dipolar eléctrico del muón , pero no directamente la medición del momento magnético. El objetivo principal del rastreador es medir el perfil del haz de muones, así como la resolución de la acumulación de eventos (para reducir la incertidumbre sistemática en la medición del calorímetro). [37]
Para medir el momento magnético con un nivel de precisión de ppb se requiere un campo magnético promedio uniforme que tenga el mismo nivel de precisión. El objetivo experimental de g − 2 es lograr un nivel de incertidumbre en el campo magnético de 70 ppb promediado en el tiempo y la distribución de muones. Un campo magnético uniforme deSe crea una corriente de 1,45 T en el anillo de almacenamiento mediante imanes superconductores y el valor del campo se mapeará activamente en todo el anillo mediante una sonda de RMN en un carro móvil (sin romper el vacío). La calibración del carro se hace referencia a la frecuencia de Larmor de un protón en una muestra esférica de agua a una temperatura de referencia (34,7 °C) y se calibra de forma cruzada con un nuevo magnetómetro de helio-3 . [37]
Un componente esencial del experimento es el sistema de adquisición de datos (DAQ), que gestiona el flujo de datos procedentes de la electrónica del detector. El requisito para el experimento es adquirir datos brutos a una velocidad de 18 GB/s. Esto se logra empleando una arquitectura de procesamiento de datos en paralelo utilizando 24 GPU de alta velocidad (NVIDIA Tesla K40) para procesar datos de digitalizadores de forma de onda de 12 bits. La configuración está controlada por el marco de software DAQ de MIDAS. El sistema DAQ procesa datos de 1296 canales de calorímetro, 3 estaciones de seguimiento de pajuelas y detectores auxiliares (por ejemplo, contadores de muones de entrada). La salida total de datos del experimento se estima en 2 PB . [38]
Las siguientes universidades, laboratorios y empresas participan en el experimento: [39]
{{cite news}}: CS1 maint: bot: estado de URL original desconocido ( enlace )Pero la mejor explicación, dicen los físicos, involucra formas de materia y energía que la ciencia no conoce actualmente.
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