Un facteur limitant dans les expériences de physique moderne est la précision avec laquelle les scientifiques peuvent mesurer des valeurs importantes, comme le champ magnétique dans un détecteur. Les scientifiques du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) et leurs collaborateurs ont développé une installation unique pour calibrer les appareils de mesure de champ et tester leurs limites à l'intérieur de puissants champs magnétiques.

L'installation comprend un aimant solénoïde provenant d'un ancien scanner d'imagerie par résonance magnétique (IRM) logé à l'origine dans un hôpital de San Francisco. L'aimant produit un champ maximum de 4 Tesla, soit plus de 400 fois la force d'un aimant de réfrigérateur. Sa grande ouverture, destiné à l'origine à tenir un patient pendant une IRM, donne aux scientifiques suffisamment d'espace pour positionner des appareils et des machines à l'intérieur du champ magnétique. Le champ produit par l'aimant est également exceptionnellement uniforme et stable, une exigence pour l'étalonnage des appareils de mesure à la très haute précision nécessaire à de nombreuses expériences de physique des particules et nucléaire.

« Nous avons travaillé avec plusieurs chercheurs, à Argonne et d'autres institutions, qui ont besoin d'un champ magnétique puissant et d'un grand alésage pour tester leurs recherches, " dit Peter Winter, physicien et chef de groupe dans la division Physique des hautes énergies d'Argonne. "Les scientifiques apportent leurs appareils et leur électronique, et nous fournissons notre aimant, l'expertise et l'infrastructure pour aider à automatiser les processus et assurer le succès des tests."

L'équipe recherche de nouveaux utilisateurs pour continuer à élargir le portefeuille d'applications de l'installation.

Station d'étalonnage

Une application principale de l'installation d'essai de solénoïdes d'Argonne est l'étalonnage et l'étalonnage croisé des sondes de mesure pour obtenir une haute précision et ajouter des couches de cohérence entre des expériences similaires à travers le monde.

Initialement, Les scientifiques d'Argonne ont acquis l'aimant pour tester et étalonner plusieurs sondes développées par l'Université du Massachusetts pour mesurer le champ magnétique dans l'expérience Muon g moins 2 (Muon g-2) actuellement en cours au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) du DOE. L'installation d'essai a permis aux scientifiques d'obtenir des mesures de terrain précises jusqu'à plusieurs parties par milliard, comme mesurer la circonférence de la Terre jusqu'à environ deux pouces.

La mesure précise du champ dans l'expérience est cruciale car l'intensité du champ magnétique est un acteur majeur dans la détermination finale de g, une propriété du muon dont la détermination confirmera les théories actuelles de la physique des particules ou indiquera l'existence de particules non découvertes.

"Cette installation a permis à l'équipe du champ magnétique sur Muon g-2 d'atteindre des objectifs stricts sur l'expérience en réduisant les incertitudes et en améliorant la robustesse de nos mesures, " a déclaré David Kawall, un physicien et professeur de l'Université du Massachusetts. "Au mieux de ma connaissance, il n'y a pas d'installations de pairs dans le monde, et avoir accès à ces outils à Argonne a été essentiel au succès de l'effort de champ magnétique sur Muon g-2."

Les futures expériences g-2 seront menées au Japon au Japan Proton Accelerator Complex (J-PARC) de la High Energy Accelerator Research Organization (KEK). Les collaborateurs japonais, dirigé par Ken-ichi Sasaki, utilisent l'installation pour effectuer un étalonnage croisé de leurs sondes de champ magnétique avec celles utilisées au Laboratoire Fermi.

"En s'assurant que nos sondes lisent toutes les mêmes valeurs dans le même champ magnétique, nous ajoutons de la certitude aux mesures provenant des deux expériences g-2, " dit Sasaki, qui est professeur au KEK et chef de sous-section de la section cryogénique au J-PARC.

Une autre expérience sur les muons, l'expérience de spectroscopie du muonium utilisant des micro-ondes (MuSEUM), contribuera à l'expérience japonaise g-2 en mesurant précisément le rapport de masse du muon à l'électron, une valeur également incluse dans la détermination de g-2.

L'expérience au KEK au Japon utilise des sondes d'étalonnage de résonance magnétique nucléaire (RMN) très similaires à celles de l'expérience g-2. Le développement de la sonde pour MuSEUM a été dirigé par Toya Tanaka, un étudiant diplômé de l'Université de Tokyo qui utilise l'installation de solénoïde pour étalonner les sondes de l'expérience. La collaboration entre des scientifiques japonais et américains garantira que les expériences g-2 et l'expérience MuSEUM auront une mesure de champ cohérente.

Développement de sondes à hélium et à effet Hall

Grâce à un partenariat avec Thomas Strauss du Fermilab, un autre groupe japonais, dirigé par Norihito Ohuchi et Yasushi Arimoto du KEK, utilise l'installation pour étalonner sa propre sonde, appelée sonde Hall, pour la prochaine expérience SuperKEKB.

Bien que moins précis que les sondes RMN utilisées dans les expériences g-2 actuelles, Les sondes à effet Hall peuvent mesurer non seulement l'amplitude d'un champ magnétique avec le gradient de champ, mais aussi son orientation.

SuperKEKB, un récemment mis à niveau, collisionneur électron-positon de trois kilomètres, accélère des particules appelées électrons et positons très proches de la vitesse de la lumière. Les scientifiques utiliseront les mesures des particules créées lors de collisions pour étudier une explication potentielle de l'asymétrie matière-antimatière dans l'univers.

L'expérience SuperKEKB implique cinq aimants solénoïdes supraconducteurs dans la région de collision de faisceaux. Les champs électromagnétiques ont une forte influence sur l'efficacité des collisions. Pour élever l'efficacité de collision de faisceaux, l'équipe utilisera les données calibrées des sondes Hall pour créer des profils de champ de solénoïde plus précis.

"En utilisant le banc d'essai d'Argonne, nous pensons pouvoir améliorer la précision des sondes Hall d'un ordre de grandeur, " dit Ohuchi, qui est professeur au KEK et chef du groupe des aimants supraconducteurs au Laboratoire de l'accélérateur. "Cela nous permettra de cartographier les champs magnétiques complexes produits par les aimants SuperKEKB et d'améliorer la qualité des faisceaux."

Une autre expérience à venir au Fermilab, appelé Mu2e, emploiera également des sondes à effet Hall pour la cartographie du champ. L'expérience utilise un aimant solénoïde comme celui d'Argonne, mais plus gros, pour mesurer les interactions avec les muons. Le modèle standard régnant de la physique des particules permet aux muons de se désintégrer d'une manière spécifique, mais pour cette expérience, les scientifiques rechercheront une interaction interdite dont l'occurrence violerait le modèle standard et indiquerait une nouvelle physique.

La capacité des sondes Hall à mesurer la direction d'un champ en fait la sonde privilégiée pour l'expérience Mu2e, mais la capacité supplémentaire nécessite encore plus de contrôle de la qualité. Les scientifiques d'Argonne ont pris la responsabilité de la cartographie de terrain dans l'expérience Mu2e, et ils utilisent l'installation d'essai pour étalonner les sondes.

"Si vous avez un léger désalignement entre la direction à partir de laquelle la sonde lit sa mesure et où le champ pointe réellement, la mesure peut s'éloigner de la vraie valeur très rapidement, " a déclaré Bob Wagner, chef de l'équipe de cartographie de terrain à Argonne. "Notre aimant nous permet d'aligner les axes des sondes avec le champ et entre eux."

Au fur et à mesure que les sondes à effet Hall deviennent plus précises et précises avec l'aide de l'installation d'essai d'Argonne, une nouvelle sonde, qui utilise de l'hélium, fait ses débuts. Un groupe de chercheurs de l'Université du Michigan, dirigé par le professeur Tim Chupp et Midhat Farooq, a développé la nouvelle sonde d'étalonnage pour agir comme un contrôle supplémentaire pour les champs de mesure

L'isotope de l'hélium dans la sonde, hélium-3, est un gaz inerte qui se comporte différemment de l'eau utilisée dans les sondes traditionnelles et a le potentiel pour une plus grande précision. "Nous avons utilisé l'aimant de test Argonne pour effectuer un calibrage croisé de notre sonde avec deux sondes à eau, dont une de même conception que la sonde UMass, et trouvé un accord avec une grande précision, confirmant que tous les effets que nous n'avions pas envisagés sont assez faibles, " a déclaré Chupp. "Notre prochaine étape est l'étalonnage croisé de la sonde UMass avec une sonde à hélium-3 améliorée qui sera encore plus précise."

Farooq et son équipe ont publié un article dans Lettres d'examen physique en juin 2020 sur le succès de leur sonde à hélium.

Une liste croissante d'applications

Depuis qu'il a accepté son premier groupe d'utilisateurs externes, des scientifiques de l'Université Stony Brook qui ont testé une cape magnétique pour protéger l'électronique lors d'expériences, les applications et la base d'utilisateurs de l'installation ont considérablement augmenté.

En plus de l'étalonnage de la sonde, l'aimant a également aidé à tester et à développer une variété d'équipements expérimentaux. Junqi Xie d'Argonne, un scientifique de la division Physique du laboratoire, utilise l'aimant pour développer des détecteurs qui fonctionnent dans des champs magnétiques élevés pour des applications de photodétection. Les détecteurs auront des applications futures dans le collisionneur électron-ion qui sera construit au laboratoire national de Brookhaven du DOE.

Le laboratoire Fermi a récemment utilisé l'aimant pour tester leurs systèmes de métrologie laser qu'ils utilisent pour mesurer les distances et aligner l'équipement dans les expériences. Ils ont testé la capacité de plusieurs laser trackers, qui peut mesurer des distances au niveau submillimétrique, pour rester précis en présence de champs magnétiques élevés.

« L'installation a également été utile pour la formation de la prochaine génération de scientifiques, " dit Kawall, "et les collaborations internationales formées seront d'un bénéfice durable."