Alors que les scientifiques attendent les premiers résultats très attendus de l'expérience Muon g-2 au Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE), les scientifiques collaborateurs du laboratoire national d'Argonne du DOE continuent d'utiliser et de maintenir le système unique qui cartographie le champ magnétique dans l'expérience avec une précision sans précédent.

Les scientifiques d'Argonne ont amélioré le système de mesure, qui utilise un schéma de communication avancé et de nouvelles sondes de champ magnétique et de l'électronique pour cartographier le champ tout au long de l'anneau de circonférence de 45 mètres dans lequel se déroule l'expérience.

L'expérience, qui a commencé en 2017 et se poursuit aujourd'hui, pourrait être d'une grande importance pour le domaine de la physique des particules. Dans le prolongement d'une expérience passée au laboratoire national de Brookhaven du DOE, il a le pouvoir d'affirmer ou d'infirmer les résultats antérieurs, ce qui pourrait faire la lumière sur la validité de certaines parties du modèle standard régnant de la physique des particules.

Des mesures de haute précision de quantités importantes dans l'expérience sont cruciales pour produire des résultats significatifs. La principale quantité d'intérêt est le facteur g du muon, une propriété qui caractérise les attributs de la mécanique magnétique et quantique de la particule.

Le modèle standard prédit très précisément la valeur du facteur g du muon. "Parce que la théorie prédit si clairement ce nombre, tester le facteur g par l'expérience est un moyen efficace de tester la théorie, " dit Simon Corrodi, un post-doctorant dans la division Physique des Hautes Energies (HEP) d'Argonne. "Il y avait un grand écart entre la mesure de Brookhaven et la prédiction théorique, et si nous confirmons cet écart, il signalera l'existence de particules non découvertes."

Tout comme l'axe de rotation de la Terre précesse, ce qui signifie que les pôles se déplacent progressivement en cercles, le spin du muon, une version quantique du moment cinétique, processus en présence d'un champ magnétique. La force du champ magnétique entourant un muon influence la vitesse à laquelle son spin précesse. Les scientifiques peuvent déterminer le facteur g du muon à l'aide de mesures du taux de précession de spin et de l'intensité du champ magnétique.

Plus ces mesures initiales sont précises, plus le résultat final sera convaincant. Les scientifiques sont sur le point d'obtenir des mesures sur le terrain précises à 70 parties par milliard. Ce niveau de précision permet au calcul final du facteur g d'être précis à quatre fois la précision des résultats de l'expérience de Brookhaven. Si la valeur mesurée expérimentalement diffère de manière significative de la valeur attendue du modèle standard, cela peut indiquer l'existence de particules inconnues dont la présence perturbe le champ magnétique local autour du muon.

Balade en chariot

Lors de la collecte des données, un champ magnétique fait voyager un faisceau de muons autour d'un grand anneau creux. Pour cartographier l'intensité du champ magnétique dans tout l'anneau avec une résolution et une précision élevées, les scientifiques ont conçu un système de chariot pour conduire des sondes de mesure autour de l'anneau et collecter des données.

L'Université de Heidelberg a développé le système de chariot pour l'expérience de Brookhaven, et les scientifiques d'Argonne ont remis à neuf l'équipement et remplacé l'électronique. En plus des 378 sondes montées dans l'anneau pour surveiller en permanence les dérives du champ, le chariot contient 17 sondes qui mesurent périodiquement le champ avec une résolution plus élevée.

"Tous les trois jours, le chariot fait le tour du ring dans les deux sens, prenant environ 9, 000 mesures par sonde et direction, " a déclaré Corrodi. " Ensuite, nous prenons les mesures pour construire des tranches du champ magnétique, puis un plein, Carte 3D de l'anneau."

Les scientifiques connaissent l'emplacement exact du chariot dans l'anneau grâce à un nouveau lecteur de codes-barres qui enregistre les marques au bas de l'anneau lorsqu'il se déplace.

L'anneau est rempli d'un vide pour faciliter la désintégration contrôlée des muons. Pour préserver le vide à l'intérieur de l'anneau, un garage relié à l'anneau et à l'aspirateur stocke le chariot entre les mesures. L'automatisation du processus de chargement et de déchargement du chariot dans l'anneau réduit le risque que les scientifiques compromettent le vide et le champ magnétique en interagissant avec le système. Ils ont également minimisé la consommation électrique de l'électronique du chariot afin de limiter la chaleur introduite dans le système, ce qui perturberait sinon la précision de la mesure du champ.

Les scientifiques ont conçu le chariot et le garage pour fonctionner dans le champ magnétique puissant de l'anneau sans l'influencer. "Nous avons utilisé un moteur qui fonctionne dans le champ magnétique fort et avec une signature magnétique minimale, et le moteur déplace le chariot mécaniquement, à l'aide de cordes, " a déclaré Corrodi. " Cela réduit le bruit dans les mesures de terrain introduites par l'équipement. "

Le système utilise le moins de matériau magnétique possible, et les scientifiques ont testé l'empreinte magnétique de chaque composant à l'aide d'aimants de test à l'Université de Washington et d'Argonne pour caractériser la signature magnétique globale du système de chariot.

Le pouvoir de communiquer

Des deux câbles tirant le chariot autour de l'anneau, l'un d'eux sert également de câble d'alimentation et de communication entre le poste de commande et les sondes de mesure.

Pour mesurer le champ, les scientifiques envoient une fréquence radio via le câble aux 17 sondes du chariot. La radiofréquence fait tourner les spins des molécules à l'intérieur de la sonde dans le champ magnétique. La fréquence radio est alors coupée au bon moment, provoquant la précession des spins des molécules d'eau. Cette approche est appelée résonance magnétique nucléaire (RMN).

La fréquence à laquelle les spins des sondes précèdent dépend du champ magnétique dans l'anneau, et un numériseur à bord du chariot convertit la fréquence radio analogique en plusieurs valeurs numériques communiquées par le câble à une station de commande. Au poste de contrôle, les scientifiques analysent les données numériques pour construire la fréquence de précession de spin et, à partir de ce, une carte complète du champ magnétique.

Au cours de l'expérience de Brookhaven, tous les signaux ont été envoyés à travers le câble simultanément. Cependant, en raison de la conversion du signal analogique au signal numérique dans la nouvelle expérience, beaucoup plus de données doivent voyager sur le câble, et ce taux accru pourrait perturber la fréquence radio très précise nécessaire à la mesure de la sonde. Pour éviter cette perturbation, les scientifiques ont séparé les signaux dans le temps, commutation entre le signal radiofréquence et la communication de données dans le câble.

"Nous fournissons aux sondes une fréquence radio via un signal analogique, " dit Corrodi, "et nous utilisons un signal numérique pour communiquer les données. Le câble bascule entre ces deux modes toutes les 35 millisecondes."

La tactique de commutation entre les signaux circulant dans le même câble est appelée "multiplexage temporel, " et cela aide les scientifiques à atteindre des spécifications non seulement pour la précision, mais aussi les niveaux de bruit. Une mise à niveau de l'expérience de Brookhaven, le multiplexage temporel permet une cartographie à plus haute résolution et de nouvelles capacités d'analyse des données de champ magnétique.

Résultats à venir

Le système RMN de cartographie de terrain et son contrôle de mouvement ont été mis en service avec succès au Laboratoire Fermi et ont fonctionné de manière fiable pendant les trois premières périodes de prise de données de l'expérience.

Les scientifiques ont atteint une précision sans précédent pour les mesures sur le terrain, ainsi que d'enregistrer l'uniformité du champ magnétique de l'anneau, dans cette expérience Muon g-2. Les scientifiques analysent actuellement la première série de données de 2018, et ils prévoient de publier les résultats d'ici la fin de 2020.

Les scientifiques ont détaillé la configuration complexe dans un article, intitulé "Conception et performance d'un sous-vide, système de cartographie de champ magnétique pour l'expérience Muon g-2, " publié dans le Journal de l'instrumentation .