무공-2

Muon g-2
원래 브룩헤이븐 - 2 실험을 위해 설계된 페르미랩의 g - 2 저장 링 자석.기하학적 구조를 통해 링에 매우 균일한 자기장이 형성될 수 있습니다.

Muong - 2 ("gee - 2"로 발음됨)는 페르미랩에서 표준 [2]모델의 민감도 테스트인 0.[1]14ppm의 정밀도로 뮤온의 비정상적인 자기 쌍극자 모멘트를 측정하기 위한 입자 물리학 실험입니다.그것은 또한 새로운 [3][4][5]입자의 존재에 대한 증거를 제공할 수도 있습니다.

뮤온은 가벼운 형제인 전자처럼 작은 자석처럼 행동합니다."g 계수"로 알려진 매개 변수는 자석이 외부에서 인가되는 자기장에서 얼마나 강한지와 회전 속도를 나타냅니다.이 회전 속도는 Muong - 2 실험에서 간접적으로 측정됩니다.

g의 값이 2보다 약간 크므로 실험의 이름입니다.2(이상 부분)와의 이 차이는 양자장 이론의 고차 기여에 의해 발생합니다.물리학자들은 g - 2를 높은 정밀도로 측정하고 그 값을 이론적 예측과 비교함으로써 실험이 이론과 일치하는지 여부를 발견할 수 있습니다.모든 편차는 [6]자연에 존재하는 아직 발견되지 않은 아원자 입자를 가리킬 것입니다.

2023년 7월 9일, 페르밀랩의 공동 연구는 6년간의 데이터 [7]수집 끝에 실험을 마무리했습니다.2021년 [8][9][10]4월 7일에 최초 결과(실험 운영 첫 해의 데이터를 기반으로 함)가 발표되었습니다.첫 3년간의 데이터 수집 결과는 2023년 [4][5]8월에 발표되었습니다.6년간의 데이터 수집을 바탕으로 한 최종 결과는 [7]2025년에 발표될 예정입니다.

타임라인

Muong - CERN에서 2.

CERN의 muong - 2 실험의 저장 링

최초의 muong - 2 실험은 1959년 레온 [11][12]레더먼의 주도로 CERN에서 시작되었습니다.6명의 물리학자 그룹이 CERN의 Synchrocyclotron을 사용하여 첫 번째 실험을 수행했습니다.첫 번째 결과는 [13]1961년에 이론적 값에 대해 2%의 정밀도로 발표되었고, 두 번째 결과는 이번에 0.4%의 정밀도로 발표되어 양자 전기 역학 이론을 검증했습니다.

두 번째 실험은 1966년에 새로운 그룹과 함께 시작했는데, 이번에는 역시 CERN의 프로톤 싱크로트론과 함께 일했습니다.그 결과는 이전의 결과보다 25배 더 정확했고 실험 값과 이론적 값 사이의 양적 차이를 보여주었기 때문에 물리학자들이 그들의 이론적 모델을 다시 계산하도록 요구했습니다.

1969년에 시작된 세 번째 실험은 [14]1979년에 최종 결과를 발표하여 0.0007%의 정밀도로 이론을 확인했습니다.

미국은 [15]1984년에 G - 2 실험을 인계받았습니다.

무옹 - 브룩헤이븐 국립 연구소 2

다음 단계의 muong - 2 연구는 브룩헤이븐 국립 연구소(BNL) 교대 그레이디언트 싱크로트론에서 수행되었습니다. 실험은 (BNL) Muon E821 실험으로 알려져 있지만 "BNL에서의 muon 실험"[16] 또는 (BNL에서의 muon g-2) [7]등으로도 불립니다.브룩헤이븐의 무옹-2 실험은 1989년부터 1996년까지 건설되었고 1997년부터 [17]2001년까지 데이터를 수집했습니다.

이 실험은 20배 더 나은 정밀도를 목표로 한 CERN의 마지막 실험과 유사하게 수행되었습니다.이 기술은 3.094 GeV 뮤온을 균일하게 측정된 자기장에 저장하고 뮤온 붕괴 전자의 검출을 통해 뮤온 스핀 세차 및 회전 주파수의 차이를 관찰하는 것을 포함했습니다.정밀도의 향상은 CERN에서 사용할 수 있는 것보다 훨씬 더 강력한 빔과 저장 링에 뮤온을 주입하는 것에 결정적으로 의존했지만, 이전 CERN 실험에서는 파이온을 저장 링에 주입했지만, 그 중 극히 일부만 저장된 뮤온으로 붕괴했습니다.실험은 초철 초전도 저장 링 자석, 수동 초전도 굴절기 자석, 주입된 뮤온을 저장된 궤도로 편향시키는 고속 뮤온 키커, 저장 영역의 자기장을 매핑할 수 있는 빔 튜브 NMR 트롤리 및 기타 수많은 실험 진보를 사용하여 훨씬 더 균일한 자기장을 사용했습니다.그 실험은 1997년과 2001년 사이에 양과 음의 뮤온을 가진 데이터를 취했습니다.최종 결과는μ 양의 뮤온과 음의 [18]뮤온에서 유사한 정밀도를 가진 일관된 결과의 조합으로 얻은 a = (g - 2)/2 = 11659208.0(5.4)(3.3) × 10입니다−10.

무옹 - 페르밀라브에서 2.

페르밀랩은 뮤온의 비정상적인 자기 쌍극자 모멘트를 측정하기 위해 브룩헤이븐에서[19] 수행된 실험을 계속하고 있습니다.브룩헤이븐 실험은 2001년에 끝났지만, 10년 후 브룩헤이븐보다 순수한 뮤온 빔을 생산할 수 있는 페르밀랩이 그 장비를 [20]구입했습니다.목표는 브룩헤이븐의 결과와 이론 예측 사이의 불일치를 제거하거나 표준 모델을 넘어 실험적으로 관찰 가능한 물리학의 예로 확인하는 더 정확한 측정(작은 σ)을 하는 것입니다.

이 자석은 2015년 9월에 재단장해 전원을 켰고, 이동 전과 같은 1.3ppm의 기본 자기장 균일성을 가진 것으로 확인됐습니다.

2016년 10월 기준으로 자석은 매우 균일한 자기장을 생성하기 위해 재구축되고 신중하게 쉬밍되었습니다.페르미랩의 새로운 노력은 전체적인 균일성을 3배 향상시켰으며, 이는 더 높은 정밀도 [21]목표에서 새로운 측정에 중요합니다.

2017년 4월, 공동 작업은 검출기 시스템을 보정하기 위해 양성자를 사용한 첫 번째 생산 실행을 위한 실험을 준비하고 있었습니다.그 [22]자석은 2017년 5월 31일 새로운 위치에서 첫 뮤온 빔을 받았습니다.데이터 수집은 [23]2020년까지 실행될 계획이었습니다.

2021년 4월 7일, 1차 실험의 결과가 발표되었습니다: aμ = 0.00116592040(54).Muong - 2의 협력으로 발표된 새로운 실험 세계 평균 결과는 다음과 같습니다: g-factor: 2.00233184122(82), 비정상적인 자기 모멘트: 0.00116592061(41).페르미랩과 브룩헤이븐의 결합된 결과는 입자 물리학자들이 발견을 주장하는 데 필요하지만 여전히 새로운 물리학의 증거인 5 시그마보다 약간 낮은 4.2 시그마(또는 표준 편차)의 유의성에서 이론과의 차이를 보여줍니다.통계적 변동이 똑같이 놀라운 결과를 낳을 가능성은 약 40,[10]000분의 1입니다.

데이터 수집은 2023년 7월 9일, 공동 작업으로 뮤온 빔을 차단하고 6년간의 데이터 수집 끝에 실험을 종료했습니다.2023년 8월 10일, 실행 1, 2, 3의 결과(즉, 처음 3년간의 데이터 수집)가 발표되어 세계 평균이 [16]= 0.00116592059(22)로μ 2021년 결과보다 오류 요인이 2개 개선되었습니다.이 실험 결과는 2020년 표준 모델 이론 예측에서 5.1 시그마 편차이지만, 최근 격자 계산에서 산출된 예측과 약 1 시그마 차이가 납니다.실험과 이론 사이의 이 불일치는 추가 연구 [4][5]중입니다.

과학자들이 분석에 6년간의 모든 데이터를 포함하면 페르미랩 실험은 뮤온 자기 모멘트의 최종적이고 가장 정확한 측정에 도달할 것입니다.[7] 계획은 2025년에 최종 결과를 발표하는 것입니다.

자기 모멘트 이론

전하를 띤 렙톤(전자, 뮤온 또는 타우)의 g 계수는 거의 2입니다.2(이상한 부분)와의 차이는 렙톤에 따라 다르며, 입자 물리학의 현재 표준 모델을 기반으로 매우 정확하게 계산할 수 있습니다.전자의 g 인자의 측정은 이 계산과 매우 일치합니다.브룩헤이븐 실험은 뮤온에 대해 이 측정을 수행했는데, 뮤온의 수명이 짧기 때문에 기술적으로 훨씬 더 어려운 측정이었고, 측정된 값과 [24]표준 모델의 예측 사이에 감질나게 하지만 확정적이지는 않은 불일치를 감지했습니다.

뮤온의 g 인자에 대한 표준 모델 예측의 계산은 매우 복잡하고 여러 가지 다른 접근법이 있습니다.가장 큰 어려움은 값이 가상 [25]하드론의 영향을 받는다는 것입니다.

2020년, 뮤온-2 이론 이니셔티브는 섭동적인 [26][27]방법을 기반으로 뮤온의 g 인자에 대한 계산된 합의 값을 발표했습니다.2021년, 부다페스트-마르세유-부퍼탈(BMW) 협업은 페르미랩에서 얻은 실험값과 무옹-2 이론 이니셔티브에 의해 계산된 이론값 사이에 있는 g 인자의[28][29] 격자 QCD 계산 결과를 발표했습니다.조정 격자 시뮬레이션(CLS) 그룹과[30][31] 유럽 트위스트 매스 협업(ETMC)[32][33]의 후속 연구는 각각 이론적 가치에 더 가까워졌으며, 이는 페르밀랩이 [34]사용한 강입자 진공 편광의 R-비율 추정에 체계적인 오류가 있을 수 있음을 시사합니다.

설계.

2014년 7월 30일 최종 목적지인 페르미랩의 실험실(MC1)에 도착한 g - 2 링.

자석

실험의 중심에는 저장 링으로 사용되는 유난히 균일한 자기장을 가진 지름 15m의 초전도 자석이 있습니다.이것은 2013년 여름 뉴욕의 롱아일랜드에 있는 브룩헤이븐에서 페르밀랩으로 한 조각으로 운반되었습니다.이 이동은 35일에 [35]걸쳐 3,200마일(5,100km)을 횡단했으며, 대부분은 이스트 코스트를 따라 앨라배마 주 모빌을 거쳐 테네시 주까지 이동했습니다.톰빅비 수로를 지나 잠시 미시시피강에 도착했습니다.처음과 마지막 다리는 밤에 폐쇄된 고속도로를 달리는 특별한 트럭 위에 있었습니다.

Muong - 2 실험은 Fermilab Muon Campus에서 생산된 3.1 GeV/c 편광 뮤온을 Brookhaven 실험에서 크게 업그레이드된 저장 링에 주입했습니다.

샘플 25mm x 25mm x 140mm2 PbF 결정(맨발로 밀리포어 종이로 포장)은 16채널 모노리식 하마마츠 SiPM과 함께 사진에 나와 있습니다.

디텍터

자기 모멘트 측정은 저장 링 내부에 균일하게 분포된 24개의 전자기 열량 측정기에 의해 실현됩니다.열량계는 저장 링의 뮤온 붕괴로부터 붕괴 양전자(및 그 수)의 에너지와 도착 시간(주입 시간 대비)을 측정합니다.뮤온이 양전자와 두 개의 중성미자로 붕괴한 후, 양전자는 원래의 뮤온보다 더 적은 에너지를 갖게 됩니다.따라서 자기장은 그것을 안쪽으로 컬하여 분할된 리드()에 부딪힙니다.II) 실리콘 광전자 증배관(SiPM)[36]에서 판독한 불소(PbF2) 열량계.

추적 탐지기는 저장 링의 뮤온 붕괴로부터 양전자의 궤적을 등록합니다.트래커는 뮤온 전기 쌍극자 모멘트 측정을 제공할 수 있지만 자기 모멘트 측정을 직접 제공할 수는 없습니다.트래커의 주요 목적은 뮤온 빔 프로파일과 이벤트의 누적 분해능을 측정하는 것입니다(열량계 [36]측정의 체계적인 불확실성 감소).

32개의 빨대의 4열 중 하나가 표시됩니다.빨대(길이 100mm, 직경 5mm)는 중앙 음극 와이어가 +1.6kV인 1:1 아르곤:에탄으로 채워진 이온화 챔버와 같은 역할을 합니다.

자기장

자기 모멘트에서 ppb 수준의 정밀도를 측정하려면 동일한 수준의 정밀도의 균일한 평균 자기장이 필요합니다.g - 2의 실험 목표는 시간과 뮤온 분포에 따른 자기장의 불확실성 수준을 평균 70ppb로 달성하는 것입니다.초전도 자석을 사용하여 저장 링에서 1.45 T의 균일한 필드가 생성되며, 필드 값은 (진공을 깨지 않고) 이동식 트롤리의 NMR 프로브를 사용하여 링 전체에 걸쳐 능동적으로 매핑됩니다.트롤리의 보정은 기준 온도(34.7°C)에서 구형 물 샘플에 있는 양성자의 라모르 주파수를 참조하며 새로운 헬륨-3 자기계에 [36]교차 보정됩니다.

데이터 수집

실험의 필수 구성 요소는 검출기 전자 장치로부터의 데이터 흐름을 관리하는 데이터 수집(DAQ) 시스템입니다.이 실험의 요구 사항은 18GB/s의 속도로 원시 데이터를 획득하는 것입니다.이는 24개의 고속 GPU(NVIDIA Tesla K40)를 사용하여 12비트 파형 디지털 장치의 데이터를 처리하는 병렬 데이터 처리 아키텍처를 사용하여 달성됩니다.설정은 MIDAS DAQ 소프트웨어 프레임워크에 의해 제어됩니다.DAQ 시스템은 1296개의 열량계 채널, 3개의 빨대 트래커 스테이션 및 보조 디텍터(예: 입구 뮤온 카운터)의 데이터를 처리합니다.실험의 총 데이터 출력은 [37]2PB로 추정됩니다.

협업

다음과 같은 대학, 연구소 및 회사가 [38]실험에 참여하고 있습니다.

대학

실험실

레퍼런스

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외부 링크