Les muons sont mystérieux, et les scientifiques plongent profondément dans la particule pour comprendre une propriété qui pourrait la rendre – et l'univers – un peu moins mystérieux.

Comme les électrons – frères et sœurs plus légers des muons – ce sont des particules dotées d'une sorte d'aimant interne naturel. Ils ont aussi un moment cinétique appelé spin, un peu comme une toupie. La combinaison du spin et de l'aimant interne d'une particule est appelée le rapport gyromagnétique, surnommé "g, " mais les tentatives précédentes pour le mesurer pour les muons ont suscité des surprises intrigantes.

L'objectif de l'expérience Muon g-2 au Laboratoire Fermi est de le mesurer plus précisément que jamais.

Pour atteindre ces niveaux de précision remarquables, les scientifiques doivent garder un œil très attentif sur quelques parties de l'expérience, dont l'un est la force de son champ magnétique. L'équipe mesure et ajuste le champ magnétique depuis des mois et est maintenant très proche d'atteindre un champ stable avant que les expériences puissent commencer correctement.

"Nous sommes actuellement dans la période de mise en service de l'expérience, où nous apprenons essentiellement comment nos systèmes se comportent et nous nous assurons que tout fonctionne correctement avant de passer à un fonctionnement stable, " a déclaré David Flay, un scientifique de l'Université du Massachusetts travaillant sur l'étalonnage du champ magnétique pour Muon g-2.

Mystère des muons

Muon g-2 fait suite à un résultat intrigant observé au Brookhaven National Laboratory à New York au début des années 2000, lorsque l'expérience a fait des observations de muons qui ne correspondaient pas aux prédictions théoriques. L'aimant circulaire de 15 mètres de diamètre de l'expérience, appelé un anneau de stockage, a été expédié vers l'Illinois par voie terrestre et maritime en 2013, et la mesure est maintenant effectuée au Laboratoire Fermi avec une précision quatre fois supérieure.

Lorsque Brookhaven a réalisé l'expérience, le résultat était surprenant :la valeur muonique de g différait considérablement de ce que les calculs disaient qu'elle devrait être, et personne ne sait vraiment pourquoi. Il est possible que l'expérience elle-même ait été erronée et que le résultat ait été faux, mais cela ouvre également la porte à la possibilité de nouvelles particules et théories exotiques. Avec sa précision multipliée par quatre, Muon g-2 apportera plus de lumière sur la situation.

Pour mesurer g, des faisceaux de muons circulant à l'intérieur de l'anneau de stockage de l'expérience sont soumis à un champ magnétique intense – environ 30, 000 fois la force du champ naturel de la Terre. Cela provoque la rotation des muons autour du champ magnétique, ou précession, d'une manière particulière. En mesurant cette précession, il est possible d'extraire précisément la valeur de g.

La force du champ magnétique auquel les muons sont exposés affecte directement la façon dont ils précessent, il est donc absolument crucial de faire des mesures extrêmement précises de l'intensité du champ et de maintenir son uniformité dans l'ensemble de l'anneau – ce qui n'est pas une tâche facile.

Si Muon g-2 confirme le résultat de Brookhaven, ce serait une énorme nouvelle. Le modèle standard aurait besoin d'être repensé et ouvrirait un tout nouveau chapitre de la physique des particules.

Une théorie de premier plan pour expliquer les résultats intrigants sont de nouveaux types de particules virtuelles, des phénomènes quantiques qui entrent et sortent de l'existence, même dans un vide par ailleurs vide. Toutes les particules connues font cela, mais leur effet total n'explique pas tout à fait les résultats de Brookhaven. Les scientifiques prédisent donc une ou plusieurs nouvelles, genres inconnus, dont la présence éphémère supplémentaire pourrait fournir les étranges observations de muons.

"Le plus grand défi jusqu'à présent a été de faire face à l'inattendu, " dit Joe Grange, scientifique du Laboratoire national d'Argonne travaillant sur le champ magnétique du Muon g-2. "Lorsqu'un mystère apparaît et doit être résolu assez rapidement, les choses peuvent devenir mouvementées. Mais c'est aussi l'une des parties les plus amusantes de notre travail."

Sonder le terrain

Les mesures de l'intensité du champ magnétique sont effectuées à l'aide de petits, appareils électroniques sensibles appelés sondes. Trois types de sondes – fixes, chariot et plongeant - travaillez ensemble pour créer une carte en 3D du champ magnétique à l'intérieur de l'expérience. Le champ peut dériver avec le temps, et des choses comme les changements de température dans le bâtiment de l'expérience peuvent affecter subtilement la forme de l'anneau, ainsi, environ 400 sondes fixes sont positionnées juste au-dessus et au-dessous de l'anneau de stockage pour garder un œil constant sur le champ à l'intérieur. Parce que ces sondes surveillent toujours, les scientifiques savent quand et dans quelle mesure il faut peaufiner le champ pour le garder uniforme.

Pour ces mesures, et tous les quelques jours lorsque les expériences sont interrompues et que le faisceau de muons est arrêté, un 0,5 mètre de long, Un chariot cylindrique incurvé sur rails contenant 17 sondes est envoyé autour de l'anneau pour dresser une carte précise du champ dans la région où sont stockés les muons. Chaque orbite prend quelques heures. Les sondes chariot sont elles-mêmes calibrées par une sonde plongeante, qui peut entrer et sortir de sa propre chambre à un endroit spécifique de l'anneau en cas de besoin.

Les sondes fixes sont installées et fonctionnent depuis l'automne 2016, alors que les 17 sondes du chariot ont été récemment retirées, mis à niveau et réinstallé.

"Les sondes sont à l'intérieur du ring où nous ne pouvons pas les voir, " a déclaré Flay. " Donc, faire correspondre leurs positions pour obtenir un étalonnage précis entre eux n'est pas une chose facile à faire. "

L'équipe a développé des solutions innovantes pour résoudre ce problème, y compris un système de style code-barres à l'intérieur de l'anneau, que le chariot scanne pour relayer où il se trouve lorsqu'il se déplace.

Global g-2

Muon g-2 est une collaboration internationale hébergée par Fermilab. En collaboration avec des scientifiques du Fermilab, Argonne, et Brookhaven, plusieurs universités à travers les États-Unis travaillent avec des collaborateurs internationaux de pays aussi vastes que la Corée du Sud, l'Italie et le Royaume-Uni. Au total, une trentaine d'institutions et 150 personnes travaillent sur l'expérimentation.

"Ce sont les efforts détaillés de l'Argonne, Université de Washington, Les équipes de l'Université du Massachusetts et de l'Université du Michigan qui ont produit ces des outils de qualité qui nous donnent une image complète du champ magnétique, " a déclaré Brendan Kiburg, Scientifique du Fermilab travaillant sur Muon g-2. « Cela a demandé des années de travail minutieux.

L'équipe travaille à terminer la partie principale de la mesure de l'intensité du champ du processus de mise en service d'ici début 2018, avant d'analyser exactement comment les muons perçoivent le champ généré. L'expérimentation devrait débuter dans son intégralité en février 2018.