费米实验室的Muon G-2实验：努力阐明粒子物理的标准模型

手推车在Muon g-2实验存储环的不同位置绘制的典型磁场变化，以百万分之一级别显示。

当科学家们等待着美国能源部（DOE）费米国家加速器实验室对Muon g-2实验的高度期待的初步结果时，来自能源部阿贡国家实验室（Argonne National Laboratory）的合作科学家继续采用并维护这种独特的系统，该系统可以绘制磁场图。实验达到前所未有的精确度。

阿贡大学的科学家对测量系统进行了升级，该系统使用了先进的通信方案以及新型的磁场探头和电子设备，可以在进行实验的整个45米长的圆周环上绘制出磁场图。

“布鲁克海文的测量值与理论预测值之间存在较大偏差，如果我们确认这一差异，将表明存在未发现的颗粒。”— Argonne的HEP决策的博士后任命西蒙·科罗迪（Simon Corrodi）

该实验始于2017年，如今一直持续到今天，这可能对粒子物理学领域产生重大影响。作为美国能源部布鲁克黑文国家实验室过去实验的后续行动，它有权确认或否认先前的结果，这可能有助于阐明现行的粒子物理学标准模型各部分的有效性。

实验中重要部分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，它是表征粒子的磁性和量子力学属性的特性。

标准模型非常精确地预测了μ子的g因子的值。Argonne的高能物理（HEP）博士后研究人员西蒙·科罗迪（Simon Corrodi）表示：“由于该理论非常清楚地预测了这一数字，因此通过实验测试g因子是检验该理论的有效方法。”“布鲁克海文的测量值与理论预测值之间存在较大偏差，如果我们确认这一差异，将表明存在未发现的颗粒。”

就像地球的自转轴进动（意味着两极逐渐绕行）一样，μ子的自旋（角动量的量子形式）也存在磁场。介子周围的磁场强度会影响其自旋进动的速率。科学家可以通过测量自旋进动速率和磁场强度来确定μon的g因子。

这些初始测量值越精确，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70的现场测量。如此高的精确度使g因子的最终计算精确到Brookhaven实验结果的四倍。如果实验测量值与预期的标准模型值明显不同，则可能表明存在未知粒子，这些粒子的存在会干扰介子周围的局部磁场。

乘坐电车

在数据收集过程中，磁场使一束μ子围绕一个大的空心环行进。为了以高分辨率和高精度绘制整个环的磁场强度，科学家设计了一种手推车系统来驱动围绕环的测量探针并收集数据。

完全组装的带轮小车系统，可在轨道上骑行，新的外部条形码阅读器可进行精确的位置测量。50厘米长的圆柱形外壳包围着17个NMR探针以及定制的读数和控制电子设备。

海德堡大学为Brookhaven实验开发了推车系统，Argonne的科学家翻新了设备并更换了电子设备。除了在环中安装了378个探头以不断监视场漂移之外，手推车还装有17个探头，可以以更高的分辨率定期测量场。

“每三天，手推车就会在两个方向上绕环行，每个探头和每个方向大约进行9 000次测量，” Corrodi说。“然后，我们进行测量以构建磁场的切片，然后构建完整的3D环图。”

科学家们从一个新的条形码读取器中了解了手推车在环中的确切位置，该条形码读取器在环的底部移动时记录了环底部的标记。

该环充满真空以促进μ子的受控衰减。为了保持环内部的真空，在环之间连接了一个车库，并在两次测量之间使用真空存储手推车。使手推车装到环中的过程自动化可以降低科学家通过与系统交互而损害真空和磁场的风险。他们还最大限度地减少了手推车电子设备的功耗，以限制引入系统的热量，否则这将破坏现场测量的精度。

科学家设计了手推车和车库，使其可以在环的强磁场中运行而不会对其产生影响。Corrodi说：“我们使用了一种在强磁场下工作且具有最小磁信号的电动机，并且该电动机使用弦线以机械方式移动了手推车。”“这减少了设备引入的现场测量中的噪声。”

该系统使用的磁性材料量最少，科学家们使用华盛顿大学和阿贡大学的测试磁铁测试了每个组件的磁性足迹，以表征手推车系统的整体磁性特征。

交流的力量

在拉动小车绕环的两条电缆中，其中一根还用作控制站和测量探头之间的电源和通信电缆。

为了测量磁场，科学家们通过电缆将射频发送到17个手推车探头。射频导致探针内部分子的自旋在磁场中旋转。然后，在适当的时候关闭无线电频率，使水分子旋转自旋。这种方法称为核磁共振（NMR）。

探头旋转进动的频率取决于环中的磁场，手推车上的数字化仪将模拟射频转换成通过电缆传送到控制站的多个数字值。在控制站，科学家分析数字数据以构造自旋进动频率，并据此构建完整的磁场图。

在Brookhaven实验期间，所有信号均同时通过电缆发送。但是，由于在新实验中从模拟信号转换为数字信号，必须在电缆上传输更多的数据，并且这种增加的速率可能会干扰探针测量所需的非常精确的射频。为了防止这种干扰，科学家及时分离了信号，在电缆中的射频信号和数据通信之间进行切换。

“我们通过模拟信号为探头提供射频，” Corrodi说，“并且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。”

在通过同一根电缆传输的信号之间进行切换的策略称为“时间分段多路复用”，它可以帮助科学家们不仅达到精度指标，而且达到噪声水平指标。时空多路复用是Brookhaven实验的升级版，可实现更高分辨率的映射和磁场数据分析的新功能。

即将来临的结果

磁场映射NMR系统及其运动控制均已在Fermilab上成功调试，并在实验的前三个数据采集期间处于可靠运行状态。

在这项Muon g-2实验中，科学家们在场测量方面取得了前所未有的精度，并记录了环形磁场的均匀性。科学家目前正在分析2018年的第一轮数据，他们预计将在2020年底之前发布结果。

科学家在《仪器仪表杂志》上发表的一篇论文中详细介绍了复杂的设置。

参考：S. Corrodia，P。De Lurgioa，D。Flayb，J。Grangea，R。Honga，D。Kawallb，M。“用于Muon g-2实验的真空磁场映射系统的设计和性能” Oberlinga，S.Ramachandrana和P.Wintera，2020年11月4日，仪器仪表杂志.DOI：
10.1088 / 1748-0221 / 15/11 / P11008

这项研究是由美国能源部高能物理科学办公室（HEP）资助的。Fermilab粒子加速器综合体是美国能源部科学用户设施办公室。