La última medición de muones duplica la precisión

El anillo de muón g-2 se encuentra en su sala de detectores, entre bastidores electrónicos, la línea de luz de muón y otros equipos en el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE.UU. Este experimento estudia la precesión (o oscilación) de los muones mientras viajan a través del campo magnético.

Para ser una partícula diminuta, el muón tiene mucho en juego. Y también lo hacen los científicos que lo están estudiando.

Desde 2018, una colaboración internacional organizada por el Laboratorio del Acelerador Nacional Fermi del Departamento de Energía de EE. UU. ha estado midiendo la fuerza absoluta del campo magnético del muón. Sus hallazgos podrían abrir un capítulo completamente nuevo en la historia de la física de partículas.

Un equipo de Cornell, dirigido por Lawrence Gibbons, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, ha desempeñado un papel clave en el proyecto al diseñar parte de la tecnología que captura los datos de los muones y ayudar a mejorar radicalmente la precisión de los mediciones.

Esa precisión quedó demostrada el 10 de agosto cuando la colaboración, compuesta por 181 científicos de 33 instituciones en siete países, anunció que había duplicado la precisión de la medición de muones a 0,20 partes por millón, confirmando los hallazgos del primer experimento realizado en 2021.

“Básicamente, hemos alcanzado una nueva frontera de precisión. Conocemos mejor en un factor de dos el lugar donde la naturaleza dice que se encuentra el momento magnético anómalo”, dijo Gibbons. "Y ahora hay que aclarar las cosas desde el punto de vista teórico".

La colaboración Muon g-2 tiene sus raíces en un experimento histórico de 1998 que sorprendió al mundo de la física al indicar que el campo magnético de los muones se desvía significativamente del modelo estándar, que se utiliza para explicar las leyes que gobiernan las partículas fundamentales.

Si el modelo estándar está incompleto, debe haber algún tipo de partícula o fuerza fundamental en el universo que aún no se ha tenido en cuenta.

"Ese es el Santo Grial, en algún nivel, de la física de partículas en estos días: determinar realmente qué hay más allá de las partículas y fuerzas que conocemos", dijo Gibbons. "Sabemos que hay algo más ahí fuera, porque claramente hay materia oscura, pero nunca hemos podido observar nada más allá del conjunto estándar de quarks y leptones que conocemos desde hace mucho tiempo".

Los muones son similares a los electrones pero tienen más de 200 veces más masa. Si bien ambas partículas tienen su propio campo magnético, los muones son mucho más inestables y se desintegran en unas pocas millonésimas de segundo. También son notoriamente difíciles de observar a nivel de la mecánica cuántica porque el vacío en el que existen es en realidad un ambiente burbujeante y espumoso, con partículas virtuales que aparecen y desaparecen constantemente, lo que afecta la fuerza del campo magnético del muón.

Cornell ayudó a filtrar esa espuma construyendo los digitalizadores que observan la señal electrónica que sale de los detectores de la instalación, que buscan determinar con precisión la tasa de precesión del muón (es decir, la frecuencia de su oscilación rotacional) a medida que acelera alrededor de 14 metros. anillo magnético de diámetro y crear una versión digitalizada de la forma de onda que podría analizarse fuera de línea.

El grupo también creó uno de los dos paquetes de reconstrucción que ayudaron a sus colaboradores a analizar los datos recopilados.

La segunda ejecución del experimento, realizada entre 2019 y 2020, produjo aproximadamente cuatro veces la cantidad de datos del primer año con una calidad significativamente mejorada, gracias a mejoras en el hardware, como el aislamiento del imán superconductor y la estabilización de la temperatura en la sala. y perfeccionar las técnicas de análisis.

Dos miembros del equipo de Cornell, el estudiante de doctorado Tyler Barrett y el investigador postdoctoral David Tarazona, ayudaron a corregir sesgos sutiles en la medición de la tasa de precesión que se habían introducido cuando algunas resistencias de alto voltaje en los cuadrupolos electrostáticos, que crean el campo eléctrico, habían sido parcialmente dañadas. falló durante la recolección de datos.

"También había una correlación en los datos que nos había atormentado antes", dijo Gibbons. “E hicieron un trabajo fundamental en términos de comprender las matemáticas detrás de cómo las estábamos extrayendo exactamente, de modo que sabíamos qué nos estaban haciendo las correlaciones. Y también desempeñaron un papel clave a la hora de reducir la incertidumbre de esa corrección”.

Una vez más, el equipo de Cornell fue uno de los siete grupos que analizaron de forma independiente el resultado de la tasa de precesión. El equipo había introducido una serie de técnicas durante el análisis del primer experimento que otros grupos han adoptado desde entonces, como cómo corregir la "acumulación", cuando los positrones que resultan de la desintegración de muones terminan en el mismo lugar en el detector y confundir al algoritmo que intenta reconstruirlos.

"En el futuro, también incorporaremos nuevas ideas que podremos incorporar durante los tres años restantes de datos que, al final, deberían darnos otra duplicación de nuestra precisión". dijo Gibbons. "Básicamente, esto supone otra reducción a la mitad de las incertidumbres a largo plazo".

La recopilación final de datos concluyó el 9 de julio y el análisis continuará durante los próximos dos años. Gibbons y Simon Corrodi del Laboratorio Nacional Argonne actuarán como co-coordinadores de análisis de los resultados finales del proyecto, que se publicarán en 2025.

Si bien la revelación del análisis independiente ha resultado estresante para todos los colaboradores, Gibbons dijo que supervisar la revelación final de la medición del campo magnético traerá estrés adicional.

"Tenemos úlceras más grandes", dijo.

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