阿尔贡国家实验室 阿贡的冉洪(左)和西蒙·科罗迪(右)在4特斯拉螺线管设备上安装校准探头
荣誉:马克·洛佩兹/阿尔贡国家实验室 科学家们正在测试我们对宇宙的基本理解，还有更多有待发现
触摸屏、放疗、收缩膜有什么共同点？它们都是通过粒子物理研究而成为可能的
对宇宙如何在最小尺度上运行的发现常常会导致我们每天使用的技术的巨大进步
来自美国的科学家
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能源部阿贡国家实验室和费米国家加速器实验室，以及来自其他46个机构和7个国家的合作者，正在进行一项实验，以测试我们目前对宇宙的理解
第一个结果指出存在未被发现的粒子或力
这种新的物理学可能有助于解释长期存在的科学之谜，这种新的见解增加了一个信息库，科学家可以在建模我们的宇宙和开发新技术时利用这个信息库
这项名为μg-2(发音为μg减2)的实验是在90年代由美国能源部布鲁克海文国家实验室开始的，在该实验中，科学家测量了一种叫做μ的基本粒子的磁性
布鲁克海文实验得出的结果与标准模型预测的值不同，标准模型是科学家对宇宙构成和行为的最佳描述
这项新实验是布鲁克海文实验的再创造，旨在以更高的精确度挑战或确认这种差异
标准模型非常精确地预测了μ子的g因子——这个值告诉科学家这个粒子在磁场中的行为
众所周知，这个g因子接近值2，实验测量它们与值2的偏差，因此命名为μ子g-2
布鲁克海文的实验表明g-2与理论预测相差百万分之几
这种微小的差异暗示了μ子和磁场之间存在未知的相互作用——这种相互作用可能涉及新的粒子或力
新实验的第一个结果与布鲁克海文的非常一致，加强了新物理学有待发现的证据
费米实验室和布鲁克海文的综合结果显示与标准模型的差异显著性为4
2西格玛(或标准偏差)，略低于科学家宣称发现所需的5西格玛，但仍是新物理学的有力证据
结果出现统计波动的几率约为40，000分之一
标准模型之外的粒子可能有助于解释物理学中令人困惑的现象，例如暗物质的性质，这是一种神秘而普遍的物质，物理学家知道它存在，但尚未发现
“这是一个令人难以置信的激动人心的结果，”阿尔贡的冉宏说，他是一名博士后，在μ介子g-2实验上工作了四年多
“这些发现可能会对未来的粒子物理实验产生重大影响，并可能导致对宇宙如何运作的更深刻理解
" 阿尔贡科学家团队对实验的成功做出了重大贡献
最初的团队由物理学家彼得·温特(Peter Winter)组建和领导，成员包括阿尔贡的洪(Hong)和西蒙·科洛迪(Simon Corrodi)，以及后来离开阿尔贡的素万纳·拉马钱德兰(Suvarna Ramachandran)和乔·格兰奇(Joe Grange)
“这个团队在硬件、作战计划和数据分析方面拥有令人印象深刻的独特技能，”温特说，他领导着阿尔贡的μg-2项目
“他们对实验做出了至关重要的贡献，没有他们的工作，我们不可能获得这些结果
" 为了推导出μ介子的真实g-2，费米实验室的科学家们产生了μ介子束，在强磁场存在的情况下，它们绕着一个大的空心环运行
这个场使介子保持在环中，并导致介子自旋的方向旋转
科学家称之为岁差的旋转类似于地轴的旋转，只是快得多
为了将g-2计算到期望的精度，科学家需要非常确定地测量两个值
一个是介子穿过环时的自旋进动率
另一个是介子周围磁场的强度，它影响介子的进动
这就是阿贡进来的地方
阿贡的4特斯拉螺线管设备的螺线管磁体内部的校准探针
荣誉:马克·洛佩兹，阿尔贡国家实验室 实地考察 尽管介子穿过一个令人印象深刻的恒定磁场，但环境温度的变化和实验硬件的影响会导致整个环的微小变化
即使这些磁场强度的微小变化，如果不加以考虑，也会显著影响G2计算的准确性
为了校正磁场变化，科学家们使用安装在环壁上的数百个探针不断测量漂移磁场
此外，他们每三天派一辆小车绕环一周，测量μ子束实际通过的场强
安装在小车上的探头能够以令人难以置信的高精度绘制出磁环45米圆周上的磁场
为了达到最终的不确定性目标，小于70%的十亿分之一(大约2
阿贡科学家用先进的通信能力和华盛顿大学开发的新的超精密磁场探测器翻新了布鲁克海文实验中使用的手推车系统
小车在环的两个方向上运行，每个探头和方向进行大约9000次测量
科学家们利用测量结果来重建磁场切片，然后得出环中磁场的完整3D地图
地图上各点的场值进入μ介子通过这些位置的g-2计算
现场测量越好，最终结果越有意义
科学家们还将旧实验中使用的一些模拟信号转换成数字信号，以增加他们可以从探针获得的数据量
这需要对小车的通信系统进行复杂的工程设计，以尽量减少对敏感探测机制的干扰
“让电车平稳、安全地运行相当具有挑战性
它需要控制系统来处理日常操作，但也能识别紧急情况并做出适当的反应，”洪说，他的科研和工程背景对于设计这种小车在有限干扰实验的情况下运行至关重要
该团队计划在下一个数据采集周期升级台车系统，通过一点一点降低不确定性来进一步改善测量
微调 在像μg-2这样的精密实验中，主要目标是减少任何可能影响测量的系统不确定性或误差
“测量原始数据相对容易——弄清楚我们对这些数据了解多少才是真正的挑战，”阿尔贡高能物理部门的博士后科洛迪说
为了确保磁场测量的准确性，科学家们使用阿尔贡的4特斯拉螺线管设备校准了探头，该设备装有来自前磁共振成像(MRI)扫描仪的磁体
磁铁产生的磁场均匀稳定，强度是冰箱磁铁的400多倍
阿尔贡科学家根据在螺线管磁铁内部设计和测试的探头读数校准了手推车上的探头
这一过程确保探针在相同的磁场中读取相同的测量值，并使科学家能够进行准确的校正
测试设备使科学家们能够实现低至十亿分之几的现场测量——比如测量游泳池中的水的体积，直到滴水
“除了校准探头，我们还通过动态调整操作设置来改善现场测量，”科洛迪说，“在数据分析过程中，我们发现了一些我们没有预料到的效果
" 当Corrodi和他的团队看到数据中的小故障时，他们调查了系统以找出原因
例如，环中的某些设备聚焦μ子束以保持其居中
然而，这些装置会轻微干扰环中的磁场
科学家们设计了一种方法来测量这种影响，以便将其从分析中去除
把这些都放在一起 磁场数据从探测器到计算机的旅程是复杂的
Corrodi、Hong和其他人配置了硬件和软件，以便用正确的时间和位置标记从现场探测器读取数据
他们还必须理解以二进制代码开始的数据，以便将它们与实验的通用分析框架相集成
洪说:“我们必须把原始数据转换成我们可以使用的东西，我们负责数据质量控制，决定在最终的g-2分析中丢弃哪些有缺陷的数据。”
" 温特说，Corrodi将领导磁场分析小组，解决与设备的冲突，并确保实验中的各个小组在下一个结果上达成一致
“为了达到我们的科学目标，你真的需要了解整个领域的分析
" μ子实验的未来 科学家们计划做的第一件事是再次检查结果
“到目前为止，最终g-2测量的精度可以与布鲁克海文实验相媲美，但这主要是因为迄今为止数据有限，”Corrodi说
“我们只分析了6%的数据，我们计划接管整个实验
这些增加的数据将大大降低不确定性
" 第一个结果也鼓励科学家们进行其他现有的和计划中的μ介子实验，包括未来将在日本进行的g-2实验，以及费米实验室的下一个μ介子实验——μ2e实验
这些项目已经在使用阿贡的螺线管设备来交叉校准他们的磁场探测器和费米实验室使用的磁场探测器
“可能会有新的努力在大型强子对撞机上寻找μ子，寻找g-2值背后新物理的可能线索，”卡洛斯·瓦格纳说，他是阿尔贡的HEP的理论物理学家，致力于解释这些现象
“人们可能对建造μ子对撞机重新产生兴趣，这将为检验这一新物理提供一种直接的方法
" 一旦科学家掌握了这一新物理，它可能会为宇宙学和量子力学模型提供信息，甚至帮助科学家在未来发明新技术——也许是下一个收缩包装
该合作在《物理评论快报》上发表了一篇关于该结果的论文，题为“测量正μ子反常磁矩为0
46 ppm
关于磁场测量的论文也发表在《物理评论》上，题目是“费米实验室μ介子g-2实验的磁场测量和分析”
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