當科學(xué)家們等待著美國能源部(DOE)費米國家加速器實驗室對Muon g-2實驗的高度期望的初步結(jié)果時，來自能源部阿貢國家實驗室(Argonne National Laboratory)的合作科學(xué)家繼續(xù)使用和維護這種獨特的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以繪制出實驗達到前所未有的精度。

阿貢大學(xué)的科學(xué)家升級了測量系統(tǒng)使用了先進的通信方案以及新的磁場探頭和電子設(shè)備，可以在進行實驗的整個45米圓周環(huán)上繪制出磁場圖。

該實驗始于2017年，如今一直持續(xù)到今天，這可能對粒子物理學(xué)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響。作為美國能源部布魯克黑文國家實驗室過去實驗的后續(xù)行動，它有權(quán)確認或否認先前的結(jié)果，這可能有助于闡明現(xiàn)行的粒子物理學(xué)標準模型各部分的有效性。

實驗中重要部分的高精度測量對于產(chǎn)生有意義的結(jié)果至關(guān)重要。感興趣的主要數(shù)量是μ子的g因子，它是表征粒子的磁性和量子力學(xué)屬性的特性。

標準模型非常精確地預(yù)測了μ子的g因子值。阿爾貢大學(xué)高能物理(HEP)部門的博士后任命西蒙·科羅迪(Simon Corrodi)表示：“由于該理論清楚地預(yù)測了這一數(shù)字，因此通過實驗測試g因子是檢驗該理論的有效方法。” “布魯克海文的測量結(jié)果與理論預(yù)測值之間存在較大偏差，如果我們確認這一差異，將表明存在未發(fā)現(xiàn)的顆粒。”

就像地球的自轉(zhuǎn)軸進動-意味著兩極逐漸行進一樣-介子的自旋(角動量的量子形式)在存在磁場的情況下進動。介子周圍的磁場強度會影響其自旋進動的速率?？茖W(xué)家可以通過測量自旋進動速率和磁場強度來確定μ子的g因子。

這些初始測量值越精確，最終結(jié)果就越有說服力?？茖W(xué)家們正在努力實現(xiàn)精確到十億分之70的現(xiàn)場測量。這種精確度使g因子的最終計算精確到Brookhaven實驗結(jié)果的四倍。如果實驗測量值與預(yù)期的標準模型值明顯不同，則可能表明存在未知粒子，這些粒子的存在會干擾介子周圍的局部磁場。

乘坐電車

數(shù)據(jù)收集期間，磁場使一束μ子圍繞一個大的空心環(huán)行進。為了以高分辨率和高精度繪制整個環(huán)的磁場強度，科學(xué)家設(shè)計了一種手推車系統(tǒng)來驅(qū)動圍繞環(huán)的測量探針并收集數(shù)據(jù)。

海德堡大學(xué)為Brookhaven實驗開發(fā)了手推車系統(tǒng)，Argonne科學(xué)家翻新了設(shè)備并更換了電子設(shè)備。除了在環(huán)中安裝了378個探頭以不斷監(jiān)視場漂移之外，手推車還裝有17個探頭，可以以更高的分辨率定期測量場。

“每三天，手推車就會在兩個方向上繞環(huán)行，每個探頭和每個方向進行大約9,000次測量，” Corrodi說。“然后，我們進行測量以構(gòu)建磁場的切片，然后構(gòu)建完整的3D環(huán)圖。”

科學(xué)家們從一個新的條形碼讀取器中了解了手推車在環(huán)中的確切位置，該條形碼讀取器在環(huán)的底部移動時記錄了環(huán)底部的標記。

該環(huán)充滿真空以促進μ子的受控衰減。為了保持環(huán)內(nèi)的真空，連接到環(huán)上的車庫和真空存儲兩次測量之間的手推車。使手推車裝進環(huán)中的過程自動化可以降低科學(xué)家通過與系統(tǒng)交互而損害真空和磁場的風(fēng)險。他們還最小化了手推車電子設(shè)備的功耗，以限制引入系統(tǒng)的熱量，否則會破壞現(xiàn)場測量的精度。