Plus tôt ce mois-ci, l'expérience Muon g-2 ("g moins deux") au Fermilab a commencé sa deuxième campagne pour rechercher des particules et des forces cachées.

Au cours des trois prochains mois, les scientifiques s'attendent à accumuler le double de la quantité de données collectées lors de l'essai 1 et à effectuer la mesure la plus précise au monde du moment magnétique anormal du muon, souvent exprimé comme la quantité g-2.

Run 2 présente plusieurs améliorations que les scientifiques ont apportées à l'expérience au cours des huit derniers mois.

"Nous cherchons à avoir un environnement plus stable dans lequel nous prenons les données, parce que dans la première période de prise de données, nous essayions de faire fonctionner les choses et d'évaluer comment elles fonctionnent, " dit Mark Lancaster, co-porte-parole de l'expérience et professeur de physique à l'Université de Manchester et à l'University College de Londres. "Maintenant, nous essayons de passer à un mode où les choses sont beaucoup plus stables, et nous pouvons fonctionner pendant une période de temps raisonnable sans aucune intervention."

Les muons sont des particules élémentaires similaires à, mais beaucoup plus lourd que, électrons. Le moment magnétique d'un muon - une caractéristique liée à l'orientation et à la force de son aimant interne - change à mesure qu'il tourne, un effet appelé précession. Lancaster et ses collègues mesurent très précisément la fréquence de précession du moment magnétique et comparent le résultat à ce que les théoriciens prédisent qu'il devrait être. Ce faisant, ils espèrent confirmer, voire réviser, le modèle standard de la physique des particules.

"En voyageant à travers l'univers, une particule n'est jamais vraiment strictement seule, " a déclaré Chris Polly du Laboratoire Fermi, l'autre co-porte-parole de l'expérience. "Il y a constamment un entourage d'autres particules qui surgissent du vide. Elles sortent de nulle part, et ils disparaissent aussi vite qu'ils sont apparus."

Ces particules modifient légèrement le moment magnétique du muon. En calculant la fréquence à laquelle ils entreront et sortiront du vide et interagiront avec le muon, les scientifiques peuvent prédire l'impact de toutes les particules connues sur le moment magnétique avec une très grande précision. La comparaison de cette prédiction avec la valeur obtenue expérimentalement dira aux scientifiques s'il y a des particules ou forces non découvertes qui modifient le moment magnétique.

Au repos, les muons se désintègrent en seulement deux millionièmes de seconde. Cette désintégration produit deux neutrinos et un positron, qui est un électron chargé positivement.

"La majeure partie de nos données provient de l'observation des énergies et des temps de désintégration des positons provenant des muons, " a déclaré Brendan Kiburg, un physicien des particules du Fermilab impliqué dans l'expérience.

L'obtention de ces données nécessite une méthode très uniforme, champ magnétique mesuré avec précision.

"Il est extrêmement important que nous connaissions le champ magnétique que subissent les muons, " a déclaré Kiburg. " Étant donné que la nouvelle physique que nous recherchons est intégrée dans la fréquence de précession, vous devez vous assurer que les muons ne voient pas un champ magnétique différent de celui que nous mesurons."

Ajuster la bague

L'aimant annulaire de stockage de l'expérience est arrivé au Fermilab depuis son domicile d'origine au Brookhaven National Laboratory en 2013. Après des années de construction et d'ajustements, les opérateurs ont réglé le faisceau et engagé dans la course 1, une production de trois mois en 2018.

« En raison de cette production, nous avons pu prendre connaissance de quelques lacunes que nous devions vraiment corriger, " dit Polly.

L'équipe s'est concentrée sur plusieurs domaines au cours de l'été. Le premier était un système d'aimants quadripolaires qui focalisent les muons et les empêchent de monter ou de descendre en spirale.

« Nous avons découvert lors de l'arrêt que nous devions améliorer la fiabilité du fonctionnement des quadripôles, en particulier aux tensions plus élevées que nous aimerions atteindre dans la prochaine course, " dit Polly.

Un autre problème concernait un appareil appelé kicker électromagnétique. Il décale très légèrement l'orbite des muons pour les maintenir sur une trajectoire qui reste à l'intérieur de l'anneau.

"Le kicker est probablement l'élément le plus important de l'expérience au-delà du ring lui-même, ", a déclaré Kibourg.

Sans le kicker, les muons se comportent comme un pilote de Formule 1 dont la voiture de course est au mauvais angle, les envoyant caréner dans le mur dès le premier tour. Pour éviter cela, le kicker décale l'angle des muons lorsqu'ils traversent la porte de l'anneau.

"L'un des problèmes avec le botteur à Brookhaven était qu'il était trop lent, " dit Polly. " Au lieu de donner un coup de pied aux muons au premier tour et de les éteindre, l'impulsion du kick s'est poursuivie pendant deux ou trois tours autour du ring. C'était loin d'être idéal, Nous avons donc conçu un kicker pour cette expérience qui pourrait monter et descendre en un seul tour."

Alors que le coup de pied déployé lors du Run 1 au Fermilab était trois fois plus rapide, il n'était pas assez puissant pour pousser les muons précisément sur l'orbite parfaite autour de l'anneau. Pendant l'arrêt, l'équipe a amélioré l'anneau pour accueillir un botteur plus puissant.

Le troisième problème était le contrôle de la température dans le bâtiment Muon g-2. L'anneau de stockage magnétique est extrêmement sensible à la température, à tel point qu'un changement de plus d'un degré Celsius peut le faire se dilater ou se contracter, dégrader le champ magnétique. Lors de l'exécution de l'exécution 1 pendant les mois d'été les plus chauds, maintenir la température de l'installation était un défi. Les améliorations apportées aux systèmes de chauffage et de refroidissement de l'installation devraient résoudre ce problème, dit Polly.

Une montagne de données

L'équipe a récemment commencé à amener le faisceau dans l'anneau de stockage et à vérifier que les mises à niveau fonctionnaient comme prévu. Un objectif clé de Run 2 est de mesurer le moment magnétique très précisément, à 70 parties par milliard. Pour obtenir ce genre de précision, le champ magnétique doit être très uniforme.

"Nous avons pu ajuster le champ magnétique pour qu'il soit deux à trois fois plus uniforme, " dit Polly. " Alors, bien que nous utilisions le même conteneur, nous l'avons en fait transformé en un bien meilleur conteneur en termes de compréhension de ce champ magnétique."

L'équipe a également dû augmenter le flux de muons de l'expérience, le nombre de muons par seconde requis pour atteindre la précision statistique nécessaire. Dans la course 1, ils ont atteint environ la moitié de leur objectif. Une multitude de mises à niveau achevées au cours de l'été devrait augmenter le flux à environ 75 pour cent de l'objectif. Une dernière mise à niveau que l'équipe envisage pour l'été prochain permettrait d'acheminer le flux jusqu'au bout, dit Polly.

Un défi à venir est le volume considérable de données. L'essai 2 vise à réduire d'un facteur quatre l'incertitude du résultat de l'expérience Brookhaven Muon g-2, ce qui nécessite 16 fois les statistiques. C'est beaucoup de données.

"Notre objectif est de traiter les données au fur et à mesure qu'elles arrivent, " Lancaster a déclaré. "Nous utilisons l'informatique distribuée pour tout, donc nous traitons tout sur la grille. Une partie de ce que nous nous efforçons de faire est de rendre cela plus robuste et fiable."

Et la robustesse et la fiabilité exigent de la rigueur.

"C'est pourquoi vous parcourez si soigneusement tout le processus de conception, " a déclaré Kiburg. " C'est pour que vous puissiez arriver à un point où vous le transformez en un résultat de physique, et nous sommes sur le pas de la porte là-bas, c'est donc un moment amusant."