Национальная ускорительная лаборатория Ферми, или Фермилаб, объявила, что 680-тонный сверхпроводящий магнит надежно закреплен в своем новом доме и почти готов к новой эре открытий в физике элементарных частиц. Это достижение последовало за деликатной транспортировкой на расстояние 3200 миль 17-тонного кольца корпуса магнита шириной 50 футов на объект Министерства энергетики США за пределами Чикаго два года назад. Полностью собранный магнит будет использоваться для проведения экспериментов с высокоэнергетическими частицами в рамках международного партнерства между 34 учреждениями, ведущим участником которого является Вашингтонский университет.
«Команда инженеров, которая собрала это обратно в Фермилабе, потрясающая», - сказал профессор физики Университета Вашингтона Дэвид Херцог, сопредседатель этого партнерства, известного как сотрудничество Muon g-2. «Все это очень захватывающе».
Группа Герцога UW будет участвовать в экспериментах в течение следующих нескольких лет, которые проверят, есть ли какие-либо недостающие части в Стандартной модели - теоретической основе, которую физики используют сегодня для описания фундаментальных частиц и взаимодействий во Вселенной.
«Существует множество причин, по которым Стандартная модель не завершена», - сказал Герцог. «У него действительно есть недостатки, и поэтому мы думаем, что в этих экспериментах можно что-то увидеть».
Стандартная модель в настоящее время не может объяснить темную материю или темную энергию, которые вместе составляют основную часть Вселенной, сказал Герцог. Физики-теоретики также предсказали новые типы взаимодействий между частицами, которые до сих пор ускользали от открытия. Герцог и его коллеги считают, что коллаборация Muon g-2 может показать, есть ли там больше частиц и взаимодействий.
Центральным элементом этих экспериментов являются мюоны, субатомные частицы, которые похожи на электроны, но существуют только доли секунды. Наблюдения за распадом мюонов могли бы показать, существуют ли дыры в Стандартной модели, но эти частицы слишком редки и недолговечны, чтобы их можно было легко исследовать. Герцог и его коллеги будут использовать существующие ускорители в Фермилабе, а также новый дополнительный сверхпроводящий магнит, чтобы генерировать и удерживать большое количество мюонов для точных измерений.
«У мюонов невероятно привлекательные черты, - сказал Герцог. «Мюон достаточно тяжел, чтобы выявить «новую физику» в свойствах его распада, и он живет достаточно долго - пару микросекунд - для формирования пучков и проведения детальных исследований».
С исследовательской точки зрения он сказал: «Они просто фантастические!»
Ускоритель в Фермилабе будет использовать пучки протонов для генерации мюонов через промежуточную частицу. Затем массивный магнит будет удерживать эти мюоны до тех пор, пока они не распадутся, в то время как датчики будут регистрировать выравнивание и положение мюона. Эти короткие высокоэнергетические эксперименты могут показать, существует ли «новая физика» за пределами Стандартной модели.
Чтобы магнит был готов удерживать мюоны, менеджеры проекта в Фермилабе должны были охладить его до температуры около минус 450 градусов по Фаренгейту - приятные 10 градусов выше абсолютного нуля. Затем они постепенно заряжали магнит током в 5300 ампер, и эта веха была достигнута 22 сентября. Эта процедура включения питания является необходимым шагом для подготовки магнита к первым экспериментам с мюонами, которые в настоящее время намечены на 2017 год.
Объявление на этой неделе приходит после долгого путешествия в Фермилаб из первоначального дома мощного магнита. Магнит был впервые размещен в Брукхейвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде, где был проведен аналогичный эксперимент с мюоном, завершившийся в 2001 году. Когда исследовательские цели Брукхейвена отошли от физики элементарных частиц, магнит бездействовал до тех пор, пока Герцог и его коллеги не предприняли попытку повторить эксперименты с мюонами с гораздо большей точностью. У Брукхейвена не было возможности обеспечить интенсивность мюонов, к которой стремилась коллаборация Muon g-2, но Фермилаб это сделала.
«Оказалось, что Фермилаб располагала гораздо лучшей инфраструктурой для создания и доставки большого количества мюонов», - сказал Герцог. «Мы собираемся получить в 21 раз больше данных, чем смогли получить в Брукхейвене».
В 2013 году руководители проекта использовали корабли, баржи и грузовики, чтобы перевезти магнит из Брукхейвена в Фермилаб. Путешествие было непростым - три сверхпроводящие катушки магнита нельзя было разобрать для поездки, а также нельзя было скрутить или согнуть более чем на несколько градусов, не причинив необратимых повреждений. После знаменитого прибытия магнита в Иллинойс Фермилаб собрала вокруг кольца сверхпроводящие катушки и стальное ярмо. Хотя на планирование и реализацию этого сложного переезда ушли годы, перевезти магнит из Брукхейвена в Фермилаб было примерно в 10 раз дешевле, чем построить новый с нуля.
Герцог перешел в Университет Вашингтона из Университета Иллинойса в 2010 году. Его группа на физическом факультете Университета Вашингтона составляет одну из самых крупных групп в рамках сотрудничества Muon g-2. Исследователи UW, докторанты и аспиранты регулярно посещают Фермилаб на этапах строительства, охлаждения и монтажа. Ученые Университета Вашингтона во главе с группой профессора физики Университета Вашингтона Алехандро Гарсии разработали и испытали новые чувствительные датчики для измерения магнитного поля. Команда Герцога создает детекторную систему для измерения распада мюона внутри магнита.
Теперь, когда магнит остыл и заряжен, ученые потратят месяцы на уточнение магнитного поля. По словам Герцога, как только начнутся эксперименты с мюонами, они ожидают, что их открытия дополнят эксперименты по физике элементарных частиц на Большом адронном коллайдере в Европе. Оба объекта, вероятно, предоставят полезную информацию для «новой физики» за пределами Стандартной модели.
«Я не хочу поддерживать какую-то конкретную теорию, я просто хочу, чтобы мы делали это осторожно, правильно и точно», - сказал Герцог. «Физика будет такой, какой она будет».