萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 4特斯拉螺线管设备全景图，米德哈特·法罗克和乔·格兰奇校准核磁共振校准装置(磁体左侧)，冉洪和学生改进校准运动控制系统(磁体右侧)，大卫·弗莱分析当前核磁共振校准数据
学分:阿尔贡国家实验室 现代物理实验的一个限制因素是科学家测量重要值的精确度，例如探测器内的磁场
美国科学家
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能源部阿贡国家实验室和他们的合作者开发了一种独特的设备来校准磁场测量设备，并测试它们在强磁场中的极限
该设施的特点是一个螺线管磁体，来自最初位于旧金山医院的前磁共振成像扫描仪
磁铁产生的最大磁场为4特斯拉——是冰箱磁铁强度的400多倍
它的大开口最初是为了在核磁共振扫描时容纳病人，给科学家足够的空间在磁场中放置设备和机械
磁体产生的磁场也非常均匀和稳定，这是将测量设备校准到超高精度的要求，而超高精度是许多粒子和核物理实验所必需的
阿尔贡高能物理部门的物理学家和小组负责人彼得·温特说:“我们与阿尔贡和其他机构的一些研究人员合作，他们需要强磁场和大口径来测试他们的研究。”
“科学家带着他们的设备和电子产品，我们提供磁铁、专业知识和基础设施来帮助自动化过程，并确保测试的成功
" 该团队正在寻找新用户，以继续扩大该设施的应用组合
校准站 阿贡螺线管测试设备的主要应用是校准和交叉校准测量探头，以实现高精度，并在世界各地的类似实验之间增加一致性
最初，阿尔贡科学家获得了磁体，以测试和校准由麻省大学开发的几个探针，用于测量目前在美国能源部费米国家加速器实验室(费米实验室)进行的μg减2(μg-2)实验中的磁场
测试设备使科学家能够实现精确到十亿分之几的现场测量——比如测量地球周长到大约两英寸
在实验中对磁场的精确测量是至关重要的，因为磁场强度是最终确定μ介子的主要因素，μ介子的这一性质的确定将证实现有的粒子物理理论或指出未发现粒子的存在
麻省大学的物理学家和教授大卫·卡维尔说:“这个设施使μg-2上的磁场小组能够通过减少不确定性和提高测量的稳健性来达到实验的严格目标。”
“据我所知，世界上没有对等的设施，在阿尔贡获得这些工具对于μg-2上的磁场研究的成功至关重要
" 未来的g-2实验将在日本高能加速器研究组织(KEK)的日本质子加速器综合设施(PARC)进行
由佐佐木健一领导的日本合作者正在利用该设施，将他们的磁场探测器与费米实验室使用的磁场探测器进行交叉校准
“通过确保我们的探测器在相同的磁场中读取相同的值，我们增加了来自两个g-2实验的测量结果的确定性，”佐佐木说，他是KEK大学的教授和PARC大学低温部的负责人
另一个μ子实验，利用微波的μ子光谱学实验(MuSEUM)，将通过精确测量μ子与电子的质量比对日本g-2实验做出贡献，这个值也包括在g-2的测定中
日本KEK的实验使用了与G2实验非常相似的核磁共振校准探针
博物馆探测器的开发是由东京大学的研究生田中东洋领导的，他使用螺线管设备来校准实验的探测器
日本和美国的合作
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科学家将确保g-2实验和MuSEUM实验具有一致的现场测量
氦和霍尔探测器的发展 通过与费米实验室的托马斯·史特劳斯合作，另一个由KEK的纪仁和有本雅史领导的日本小组，正在使用该设备校准他们自己的探测器——霍尔探测器——用于即将到来的超级KEKB实验
尽管霍尔探头不如目前G2实验中使用的核磁共振探头精确，但它不仅能测量磁场梯度的大小，还能测量磁场的方向
SuperKEKB是一个最近升级的三公里长的正负电子对撞机，它以非常接近光速的速度加速被称为电子和正电子的粒子
科学家们将利用碰撞中产生的粒子的测量结果来研究宇宙中物质-反物质不对称的潜在解释
SuperKEKB实验包括在束碰撞区域的五个超导螺线管磁体
螺线管磁场对碰撞的效率有很大的影响
为了提高射束碰撞效率，研究小组将使用霍尔探测器的校准数据来制作更精确的螺线管磁场分布图
“使用阿贡的测试设备，我们相信我们可以将霍尔探测器的精度提高一个数量级，”奥赫奇说，他是KEK大学的教授，也是加速器实验室超导磁体组的负责人
“这将使我们能够绘制超级KEKB磁体产生的复杂磁场，并提高光束质量
" 另一个即将在费米实验室进行的名为Mu2e的实验，也将使用霍尔探测器进行场映射
该实验使用了一个类似阿尔贡的螺线管磁铁，但更大，来测量μ子相互作用
现行的粒子物理标准模型允许μ子以特定的方式衰变，但是对于这个实验，科学家们将寻找一种被禁止的相互作用，它的出现将违反标准模型并指向新的物理
霍尔探头测量磁场方向的能力使其成为μ2e实验的首选探头，但这种额外的能力需要更多的质量控制
阿尔贡科学家已经承担了在Mu2e实验中进行野外测绘的责任，他们正在使用测试设备来校准探测器
“如果探头读取测量值的方向和磁场实际指向的方向之间有轻微的偏差，测量值可能会很快偏离真实值，”阿尔贡野外测绘小组组长鲍勃·瓦格纳说
“我们的磁铁允许我们将探头的轴线与磁场对齐，并相互对齐
" 随着霍尔探测器在阿尔贡测试设备的帮助下变得更加精确，一种新的探测器——一种使用氦的探测器——正在首次亮相
由蒂姆·楚普教授和米德哈特·法鲁克教授领导的密歇根大学的一组研究人员开发了新的校准探头，作为测量领域的额外检查 探针中的氦同位素氦-3是一种惰性气体，其行为不同于传统探针中使用的水，并且具有更高的精确度
“我们使用阿尔贡测试磁铁与两个水探针交叉校准我们的探针，包括一个与UMass探针设计相同的探针，并发现了高精度的一致性，证实了我们没有考虑的任何影响都非常小，”楚普说
“我们的下一步是用改进的氦-3探针对UMass探针进行交叉校准，这将更加精确
" 法罗克和他的团队在2020年6月的《物理评论快报》上发表了一篇关于氦探测器成功的论文
越来越多的应用 自从接受了第一批外部用户——来自石溪大学的科学家们测试了一种磁性斗篷来屏蔽实验中的电子设备——该设施的应用和用户群已经显著增长
除了探头校准，磁铁还帮助测试和开发各种实验设备
阿尔贡的琦君·谢是该实验室物理系的一名科学家，他利用这种磁铁开发出了一种探测器，这种探测器可以在强磁场中工作，用于光敏应用
探测器将在美国能源部布鲁克海文国家实验室建造的电子-离子对撞机中有未来的应用
费米实验室最近使用磁铁来测试他们的激光计量系统，这些系统用于测量距离和在实验中校准设备
他们测试了几种激光跟踪器的能力，这些跟踪器可以测量亚毫米级的距离，在强磁场中保持精确
“该设施也有助于培养下一代科学家，”卡沃尔说，“所形成的国际合作将带来持久的利益。”
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