Le muon est une minuscule particule, mais il a le potentiel énorme de bouleverser notre compréhension du monde subatomique et de révéler un form inconnu de physique fondamentale.



Cette possibilité semble de additionally en in addition probable, selon les premiers résultats d’une collaboration internationale – hébergée par le Laboratoire countrywide d’accélérateur Fermi du département américain de l’énergie – qui impliquait des contributions clés d’une équipe Cornell dirigée par Lawrence Gibbons, professeur de physique à le Collège des Arts et des Sciences.

La collaboration, qui a réuni 200 scientifiques de 35 establishments dans sept pays, avait pour objectif de confirmer les conclusions d’une expérience de 1998 qui a surpris les physiciens en indiquant que le champ magnétique des muons s’écarte considérablement du modèle conventional, qui est utilisé pour expliquer les lois qui régissent les particules fondamentales.



Les modules de numérisation subissent des checks dans le laboratoire de Lawrence Gibbons, professeur de physique, avant d’être expédiés au Laboratoire nationwide des accélérateurs de Fermi. Vingt-huit caisses de ces modules ont été installées autour de l’anneau muon g-2.

Une particule insaisissable peut indiquer une physique inconnue

« La issue était : qu’est-ce qui se passe ? L’expérience était-elle fausse ? Ou la théorie est-elle incomplète ? » Dit Gibbons. « Et si la théorie est incomplète, alors confirmer ce qui se passe devient la première preuve terrestre d’un form totalement nouveau de particule ou de drive fondamentale que nous ne connaissons pas. Ce serait la première expérience sur Terre qui soit en quelque sorte l’équivalent. de la découverte de la matière noire dans l’espace.  »

Le 7 avril, l’équipe a confirmé que les résultats originaux étaient corrects, ce qui signifie qu’il doit y avoir as well as de physique entourant le muon que ce que l’on savait auparavant.

Les muons sont comme des électrons mais sont plus de 200 fois as well as massifs. Les deux sont essentiellement de minuscules aimants avec leur propre champ magnétique. Les muons sont cependant beaucoup furthermore instables et se désintègrent en quelques millionièmes de seconde. Ils sont également notoirement difficiles à observer au niveau de la mécanique quantique auto le vide dans lequel ils existent n’est pas une grande cavité vide, mais plutôt un environnement dynamique bouillonnant, moussant.

« C’est votre variation en mousse cappuccino de l’aspirateur, où il y a des particules virtuelles qui clignotent et disparaissent tout le temps », a déclaré Gibbons. « Et cela s’avère affecter la power du champ magnétique d’un muon. »

Pour comprendre pourquoi, des chercheurs du Brookhaven Countrywide Laboratory ont entrepris il y a 20 ans de mesurer la force absolue du champ magnétique du muon. Ils ont fait cela en tirant un faisceau de muons dans un anneau magnétique de 14 mètres de diamètre à presque la vitesse de la lumière pendant qu’une série de détecteurs capturait des données. Les scientifiques ont découvert un écart majeur dans le champ magnétique du muon : il s’agissait de additionally de 3,5 écarts-kinds par rapport au modèle typical prédit par les physiciens théoriciens.

Un plan a finalement été élaboré pour répéter l’expérience de Brookhaven avec une in addition grande précision. En 2013, l’anneau magnétique de Brookhaven a été transporté à l’usine Fermilab de Batavia, dans l’Illinois, où il a été couplé à un accélérateur de particules encore additionally puissant able de produire additionally de 20 fois la quantité de muons. En 2018, la première de plusieurs séries d’expériences a été lancée.

Cette expérience sur le muon g-2 – « g » fait référence à la valeur de la drive de l’aimant causée par son spin intrinsèque, légèrement supérieur à deux – a été couronnée de succès grâce à un système de détecteurs développé grâce à un partenariat entre Cornell et le Université de Washington.

connue sous le nom de rayonnement Cherenkov, qui se produit lorsque les positrons de la désintégration du muon frappent les cristaux. En mesurant le temps et la quantité de lumière pour chacun d’environ 8 milliards de positrons, les chercheurs peuvent identifier le taux de précession du muon, qui est la fréquence de son oscillation de rotation. Le taux est directement lié à la valeur de g-2.

L’équipe Cornell a construit les numériseurs qui pourraient regarder le signal électronique sortant des détecteurs et créer une variation numérisée de la forme d’onde qui pourrait être analysée hors ligne. Les chercheurs ont été soutenus dans l’effort par le Laboratoire de physique des particules élémentaires (LEPP), et leurs numériseurs ont incorporé pour 200 000 $ de puces de conversion analogique-numérique spécialisées données par Texas Instruments.

Le groupe de Gibbons a également construit l’un des deux packages de reconstruction qui ont aidé leurs collaborateurs à analyser et analyser les données collectées, et ils ont été aidés à obtenir les mesures les in addition précises par David Rubin, le professeur émérite de physique Boyce D. McDaniel (A&S), qui a aidé à corriger la propagation des impulsions muoniques dans le faisceau stocké et le petit mouvement vertical lorsque le faisceau se déplace autour de l’anneau magnétique. Deux autres professeurs de Cornell, Toichiro « Tom » Kinoshita, professeur émérite de physique, et G. Peter Lepage, professeur de physique Goldwin Smith, tous deux en A&S, ont contribué à la prédiction du modèle standard de g-2, à laquelle le projet a comparé ses résultats.

En guise de touche finale, Gibbons a choisi de rendre la façade du numériseur Cornell rouge.

Avec autant d’informations subatomiques à analyser, 6 groupes différents ont travaillé pour confirmer séparément la fréquence de précession du muon. Gibbons a aidé à concevoir un logiciel de mise en aveugle qui permettrait aux groupes d’effectuer leurs calculs de manière indépendante. Vous entrez dans la pièce, et il y a tous ces factors éparpillés partout à partir de tous les décalages, et vous devez décider, Ok, allons-nous comparer les résultats maintenant ? Et seront-ils d’accord ?  » Dit Gibbons. « Nous essayions de mesurer quelque chose à 500 parties par milliard. La plage que nous avions était de furthermore ou moins 25 events par million sur les fréquences que nous essayons de mesurer. Il y a eu un énorme soupir de soulagement lorsque nous avons trouvé que tout était parfaitement d’accord.  »

Et quand tous les collaborateurs internationaux se sont réunis en ligne pour le déblocage ultimate de la mesure du champ magnétique et l’ont vérifié par rapport au résultat primary de Brookhaven ? C’était comme des chapeaux volant dans les airs », a déclaré Gibbons. « C’était une combinaison d’exaltation et de soulagement. »

Les résultats de ce premier essai expérimental ne représentent que 6% des données que les chercheurs espèrent collecter à terme. Une analyse supplémentaire a déjà commencé sur un deuxième et un troisième passage, qui généreront trois à quatre fois moreover de données. Il faudra attendre 10 ans avant que toute l’analyse soit terminée.

« Nous avons atterri juste au-dessus de ce résultat qui pourrait vraiment indiquer qu’il se passe quelque selected de totalement nouveau. Nous voulons vraiment pousser l’incertitude, la précision, pour faire la déclaration la additionally forte achievable que nous puissions expérimenter », a déclaré Gibbons, qui a commencé à travailler. sur le projet en 2011. « Nous sommes peut-être sur quelque selected de vraiment profond, quelque selected que nous ne comprenons pas. Et nous devons encore comprendre ce que c’est. »