萨凡纳·米切姆，阿尔贡国家实验室 由小车在μg-2实验储存环不同位置绘制的典型磁场变化，显示为百万分之一水平
学分:阿尔贡国家实验室
当科学家们等待着美国宇航局μg-2实验的高度期待的初步结果时
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能源部费米国家加速器实验室与能源部阿尔贡国家实验室的科学家合作，继续使用和维护独特的系统，以前所未有的精度绘制实验中的磁场
阿尔贡科学家升级了测量系统，该系统使用先进的通信方案和新的磁场探头和电子设备来绘制整个45米圆周环的磁场图，实验在该环中进行
这项始于2017年并持续至今的实验可能会对粒子物理领域产生重大影响
作为美国能源部布鲁克海文国家实验室过去实验的后续行动，它有能力肯定或否定以前的结果，这可能会揭示出现行粒子物理标准模型的部分有效性
实验中重要量的高精度测量对于产生有意义的结果至关重要
感兴趣的主要量是μ子的g因子，这是一种表征粒子磁性和量子力学属性的性质
标准模型非常精确地预测了μ子的g因子的值
阿尔贡高能物理(HEP)部门的博士后西蒙·科罗迪说:“因为该理论如此清晰地预测了这个数字，所以通过实验测试g因子是测试该理论的有效方法。”
“布鲁克海文的测量和理论预测之间有很大的偏差，如果我们证实这种差异，这将表明存在未发现的粒子
" 就像地球的旋转轴进动一样——也就是说两极逐渐绕圈——介子的自旋，一种角动量的量子形式，在磁场存在的情况下进动
介子周围磁场的强度影响其自旋进动的速率
科学家可以通过测量自旋进动率和磁场强度来确定μ介子的g因子
这些初始测量越精确，最终结果就越有说服力
科学家们正在努力实现精确到十亿分之七十的现场测量
这一精度水平使得g因子的最终计算精度达到布鲁克海文实验结果的四倍
如果实验测量值与预期的标准模型值相差很大，则可能表明存在未知粒子，其存在会干扰μ介子周围的局部磁场
电车 在数据收集过程中，磁场使一束μ子绕着一个大的空心环运动
为了以高分辨率和高精度绘制整个环的磁场强度，科学家们设计了一个小车系统来驱动环周围的测量探头并收集数据
海德堡大学为布鲁克海文实验开发了手推车系统，阿尔贡科学家翻新了设备并更换了电子设备
除了安装在环内持续监控磁场漂移的378个探头之外，台车还装有17个探头，以更高的分辨率定期测量磁场
“每三天，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，”科洛迪说
“然后我们进行测量来构建磁场切片，然后构建一个完整的环的三维图
" 科学家们从一个新的条形码阅读器中知道手推车在环中的确切位置，该阅读器记录了手推车在环底部移动时的标记
这个环充满了真空，以便于控制μ子的衰变
为了保持环内的真空，连接到环和真空的车库在测量之间存储台车
将小车装载和卸载到环中的过程自动化降低了科学家通过与系统交互而危及真空和磁场的风险
他们还将台车电子设备的功耗降至最低，以限制引入系统的热量，否则会影响现场测量的精度
完全组装的小车系统，带有用于在轨道上行驶的车轮和用于精确位置测量的新型外部条形码读取器
50厘米长的圆柱形外壳包含17个核磁共振探头和定制的读出和控制电子设备
学分:阿尔贡国家实验室
科学家们设计了手推车和车库，使其能够在环的强磁场中运行而不影响它
“我们使用了一个在强磁场中工作的电机，并且具有最小的磁信号，电机使用绳子机械地移动小车，”科罗迪说
“这降低了设备引入的现场测量噪声
" 该系统使用了尽可能少的磁性材料，科学家们使用华盛顿大学和阿尔贡大学的测试磁铁测试了每个组件的磁性足迹，以表征小车系统的整体磁性特征
沟通的力量 在围绕环拉动小车的两条电缆中，其中一条还充当控制站和测量探头之间的电力和通信电缆
为了测量磁场，科学家们通过电缆向17个小车探测器发送无线电频率
射频导致探针内部分子的自旋在磁场中旋转
无线电频率在适当的时候被关闭，导致水分子旋转进动
这种方法被称为核磁共振
探针旋转进动的频率取决于环中的磁场，小车上的数字化仪将模拟射频转换成多个数字值，通过电缆传送到控制站
在控制站，科学家们分析数字数据来构建自旋进动频率，并由此构建一个完整的磁场图
在布鲁克海文实验中，所有的信号都是通过电缆同时发送的
然而，由于在新实验中从模拟信号到数字信号的转换，更多的数据必须通过电缆传输，这种增加的速率可能会干扰探头测量所需的非常精确的射频
为了防止这种干扰，科学家们及时分离了信号，在无线电频率信号和电缆中的数据通信之间切换
“我们通过模拟信号为探测器提供无线电频率，”科罗迪说，“我们使用数字信号来传递数据
电缆每35毫秒在这两种模式之间切换一次
" 在通过同一根电缆传输的信号之间进行切换的策略被称为“时分多路复用”，它帮助科学家们不仅达到精度规格，还达到噪声水平规格
时分复用是布鲁克海文实验的升级，它允许更高分辨率的绘图和磁场数据分析的新能力
即将到来的结果 场映射核磁共振系统及其运动控制都已在费米实验室成功调试，并在实验的前三个数据采集阶段一直处于可靠运行状态
在这次μg-2实验中，科学家们在磁场测量方面取得了前所未有的精度，并记录了环磁场的均匀性
科学家们目前正在分析2018年的第一轮数据，他们预计将在2020年底公布结果
科学家们在《仪器杂志》上发表了一篇题为“μg-2实验的真空磁场绘图系统的设计和性能”的论文，详细描述了这一复杂的设置
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