Des scientifiques s’efforcent de faire la lumière sur le modèle standard de la physique des particules

Alors que des scientifiques attendent les premiers résultats très attendus de l’expérience Muon g-2 au Fermi National Accelerator Laboratory du Département américain de l’énergie (DOE), les scientifiques collaborateurs de l’Argonne National Laboratory du DOE continuent d’utiliser et de maintenir le système unique qui cartographie le champ magnétique dans l’expérience avec une précision sans précédent.

Variations typiques du champ magnétique telles que cartographiées par le chariot à différentes positions dans l’anneau de stockage de l’expérience Muon “g-2”, indiquées au niveau des parties par million. Crédit : Laboratoire national d’Argonne.

Les scientifiques de l’Argonne ont mis à jour le système de mesure, qui utilise un système de communication avancé et de nouvelles sondes de champ magnétique et électroniques pour cartographier le champ tout au long de l’anneau de 45 mètres de circonférence dans lequel l’expérience a lieu.

L’expérience, qui a débuté en 2017 et se poursuit aujourd’hui, pourrait avoir de grandes conséquences pour le domaine de la physique des particules. Faisant suite à une expérience passée au Brookhaven National Laboratory du DOE, elle a le pouvoir d’affirmer ou d’infirmer les résultats précédents, ce qui pourrait mettre en lumière la validité de certaines parties du modèle standard de physique des particules en vigueur.

Des mesures de haute précision de quantités importantes dans l’expérience sont cruciales pour produire des résultats significatifs. La principale quantité d’intérêt est le facteur g du muon, une propriété qui caractérise les attributs magnétiques et mécaniques quantiques de la particule.

Le modèle standard prédit la valeur du facteur g du muon de manière très précise. « Parce que la théorie prédit si clairement ce nombre, tester le facteur g par l’expérimentation est un moyen efficace de tester la théorie », a déclaré Simon Corrodi, un post-doctorant nommé dans la division de physique des hautes énergies (HEP) d’Argonne. « Il y a eu un grand écart entre la mesure de Brookhaven et la prédiction théorique, et si nous confirmons cet écart, cela signalera l’existence de particules non découvertes ».

Tout comme l’axe de rotation de la Terre est en précession – ce qui signifie que les pôles tournent progressivement en rond – le spin du muon, une version quantique du moment angulaire, est en précession en présence d’un champ magnétique. L’intensité du champ magnétique entourant un muon influence la vitesse à laquelle son spin sera en précession. Les scientifiques peuvent déterminer le facteur g du muon en mesurant la vitesse de précession du spin et l’intensité du champ magnétique.

Plus ces mesures initiales seront précises, plus le résultat final sera convaincant. Les scientifiques sont en train de réaliser des mesures sur le terrain avec une précision de 70 parties par milliard. Ce niveau de précision permet au calcul final du facteur g d’être quatre fois plus précis que les résultats de l’expérience de Brookhaven. Si la valeur mesurée expérimentalement diffère sensiblement de la valeur attendue du modèle standard, cela peut indiquer l’existence de particules inconnues dont la présence perturbe le champ magnétique local autour du muon.

Promenade en chariot

Pendant la collecte des données, un champ magnétique fait circuler un faisceau de muons autour d’un grand anneau creux. Pour cartographier l’intensité du champ magnétique dans l’anneau avec une haute résolution et une grande précision, les scientifiques ont conçu un système de chariot pour faire tourner des sondes de mesure autour de l’anneau et collecter des données.

L’université de Heidelberg a développé le système de chariot pour l’expérience de Brookhaven, et les scientifiques d’Argonne ont remis à neuf l’équipement et remplacé l’électronique. En plus des 378 sondes qui sont montées à l’intérieur de l’anneau pour surveiller en permanence les dérives du champ, le chariot contient 17 sondes qui mesurent périodiquement le champ avec une résolution plus élevée.

« Tous les trois jours, le chariot fait le tour de l’anneau dans les deux sens, effectuant environ 9.000 mesures par sonde et par direction », a déclaré M. Corrodi. « Ensuite, nous prenons les mesures pour établir des coupes du champ magnétique et ensuite une carte complète en 3D de l’anneau ».

Système de chariot entièrement assemblé avec des roues montées sur des rails et le nouveau lecteur de code barre externe pour une mesure exacte de la position. La coque cylindrique de 50 cm de long contient les 17 sondes RMN et l’électronique de lecture et de contrôle fabriquée sur mesure. Crédit : Laboratoire national d’Argonne.

Les scientifiques connaissent l’emplacement exact du chariot dans l’anneau grâce à un nouveau lecteur de code barre qui enregistre les marques sur le fond de l’anneau lorsqu’il se déplace.

L’anneau est rempli d’un vide pour faciliter la décomposition contrôlée des muons. Pour préserver le vide à l’intérieur de l’anneau, un atelier relié à l’anneau et au vide entrepose le chariot entre les mesures. L’automatisation du processus de chargement et de déchargement du chariot dans l’anneau réduit le risque que les scientifiques compromettent le vide et le champ magnétique en interagissant avec le système. Ils ont également minimisé la consommation d’énergie de l’électronique du chariot afin de limiter la chaleur introduite dans le système, qui autrement perturberait la précision de la mesure du champ.

Les scientifiques ont conçu le chariot et le garage pour qu’ils fonctionnent dans le fort champ magnétique de l’anneau sans l’influencer. « Nous avons utilisé un moteur qui fonctionne dans le champ magnétique fort et avec une signature magnétique minimale, et le moteur déplace le chariot mécaniquement, en utilisant des cordes », a déclaré M. Corrodi. « Cela permet de réduire le bruit dans les mesures de champ introduites par l’équipement ».

Le système utilise le moins de matériel magnétique possible, et les scientifiques ont testé l’empreinte magnétique de chaque composant à l’aide d’aimants de test à l’Université de Washington et d’Argonne pour caractériser la signature magnétique globale du système de chariot.

La puissance de la communication

Des deux câbles qui tirent le chariot autour de l’anneau, l’un d’eux sert également de câble d’alimentation et de communication entre la station de contrôle et les sondes de mesure.

Pour mesurer le champ, les scientifiques envoient une fréquence radio par le câble aux 17 sondes du chariot. La radiofréquence fait tourner les molécules à l’intérieur de la sonde dans le champ magnétique. La radiofréquence est ensuite désactivée au moment opportun, ce qui provoque la rotation des molécules d’eau. Cette approche est appelée résonance magnétique nucléaire (RMN).

La fréquence à laquelle la sonde tourne dépend du champ magnétique dans l’anneau, et un numériseur à bord du chariot convertit la fréquence radio analogique en plusieurs valeurs numériques communiquées par le câble à une station de contrôle. À la station de contrôle, les scientifiques analysent les données numériques pour construire la fréquence de précession des spins et, à partir de là, une carte complète du champ magnétique.

Au cours de l’expérience de Brookhaven, tous les signaux ont été envoyés simultanément par le câble. Cependant, en raison de la conversion du signal analogique en signal numérique dans la nouvelle expérience, un nombre beaucoup plus important de données doit passer par le câble, et ce taux accru pourrait perturber la fréquence radio très précise nécessaire à la mesure de la sonde. Pour éviter cette perturbation, les scientifiques ont séparé les signaux dans le temps, en passant du signal de radiofréquence à la communication de données dans le câble.

« Nous fournissons aux sondes une fréquence radio par le biais d’un signal analogique », a déclaré M. Corrodi, « et nous utilisons un signal numérique pour communiquer les données. Le câble commute entre ces deux modes toutes les 35 millisecondes ». La tactique consistant à passer d’un signal à l’autre par le même câble est appelée « multiplexage temporel », et elle aide les scientifiques à atteindre des spécifications non seulement en matière de précision, mais aussi de niveaux de bruit. Le multiplexage par répartition dans le temps, une amélioration de l’expérience de Brookhaven, permet une cartographie à plus haute résolution et de nouvelles capacités d’analyse des données sur le champ magnétique.

Résultats à venir

Le système de cartographie de terrain par RMN et son contrôle de mouvement ont été mis en service avec succès au Fermilab et ont fonctionné de manière fiable pendant les trois premières périodes de prise de données de l’expérience.

Les scientifiques ont atteint une précision sans précédent pour les mesures de champ, ainsi qu’une uniformité record du champ magnétique de l’anneau, dans cette expérience Muon g-2. Les scientifiques analysent actuellement la première série de données de 2018, et ils prévoient de publier les résultats d’ici la fin de 2020. Les scientifiques ont détaillé la configuration complexe dans un article intitulé « Design and performance of an in-vacuum, magnetic field mapping system for the Muon g-2 experiment », publié dans le Journal of Instrumentation.

yogaesoteric

13 décembre 2020