Muon: Membuka Ruang Fisika Baru

Kemungkinan itu tampak semakin mungkin, menurut hasil awal kolaborasi internasional – yang diselenggarakan oleh Laboratorium Akselerator Nasional Fermi Departemen Energi AS – yang melibatkan kontribusi kunci oleh tim Cornell yang dipimpin oleh Lawrence Gibbons, profesor fisika di Sekolah Tinggi Seni dan Sains.

Kolaborasi, yang menyatukan 200 ilmuwan dari 35 institusi di tujuh negara itu, bertujuan untuk mengkonfirmasi temuan eksperimen 1998 yang mengejutkan fisikawan dengan menunjukkan bahwa medan magnet muon menyimpang secara signifikan dari Model Standar, yang digunakan untuk menjelaskan hukum itu yang mengatur partikel fundamental.

Modul digitizer menjalani pengujian di lab Lawrence Gibbons, profesor fisika, sebelum dikirim ke Laboratorium Akselerator Nasional Fermi. Dua puluh delapan peti dari modul ini dipasang di sekitar cincin muon g-2.

“Pertanyaannya adalah, apa yang terjadi? Apakah eksperimennya salah? Atau teorinya tidak lengkap?” Kata Gibbons. “Dan jika teorinya tidak lengkap, maka mengkonfirmasi apa yang terjadi menjadi bukti terestrial pertama dari jenis partikel fundamental atau gaya yang benar-benar baru yang tidak kita ketahui. Ini akan menjadi eksperimen pertama di Bumi yang serupa. tentang penemuan materi gelap di luar angkasa. “

Pada 7 April, tim mengonfirmasi bahwa temuan asli itu benar, yang berarti ada lebih banyak fisika di sekitar muon daripada yang diketahui sebelumnya.

Muon seperti elektron tetapi lebih dari 200 kali lebih masif. Keduanya pada dasarnya adalah magnet kecil dengan medan magnetnya sendiri. Muon jauh lebih tidak stabil, dan membusuk dalam beberapa sepersejuta detik. Mereka juga sangat sulit diamati pada tingkat mekanika kuantum karena ruang hampa tempat mereka berada bukanlah rongga kosong yang besar, melainkan lingkungan dinamis yang menggelembung, berbusa.

“Itu adalah penyedot debu versi busa cappucino Anda, di mana ada partikel virtual yang mengedip masuk dan keluar dari keberadaan setiap saat,” kata Gibbons. “Dan itu ternyata mempengaruhi kekuatan medan magnet sebuah muon.”

Untuk mencari tahu alasannya, para peneliti di Brookhaven National Laboratory 20 tahun lalu mulai mengukur kekuatan absolut medan magnet muon. Mereka melakukan ini dengan menembakkan seberkas muon ke dalam cincin magnet berdiameter 14 meter dengan kecepatan hampir mendekati kecepatan cahaya sementara serangkaian detektor menangkap data. Para ilmuwan menemukan perbedaan besar dalam medan magnet muon: Itu lebih dari 3,5 standar deviasi dari Model Standar yang diprediksi oleh fisikawan teoritis.

Sebuah rencana akhirnya dibuat untuk mengulangi eksperimen Brookhaven dengan presisi yang lebih tinggi. Pada tahun 2013, cincin magnet Brookhaven diangkut ke fasilitas Fermilab di Batavia, Illinois, di mana cincin itu digabungkan dengan akselerator partikel yang lebih kuat yang dapat menghasilkan lebih dari 20 kali jumlah muon. Pada tahun 2018, percobaan pertama dari beberapa percobaan diluncurkan.

Eksperimen muon g-2 ini – “g” mengacu pada nilai kekuatan magnet yang disebabkan oleh putaran intrinsiknya, yang sedikit lebih besar dari dua – berhasil berkat sistem detektor yang dikembangkan melalui kemitraan bersama antara Cornell dan Universitas Washington.

Kelompok Universitas Washington membangun satu set 24 kalorimeter dari kristal fluorida timbal dan photomultipliers silikon yang mengukur cahaya biru, yang dikenal sebagai radiasi Cherenkov, yang dihasilkan ketika positron dari peluruhan muon menghantam kristal. Dengan mengukur waktu dan jumlah cahaya untuk masing-masing sekitar 8 miliar positron, para peneliti dapat menentukan tingkat presesi muon, yang merupakan frekuensi goyangan rotasinya. Tarif tersebut secara langsung berkaitan dengan nilai g-2.

Tim Cornell membuat digitizer yang dapat melihat sinyal elektronik yang keluar dari detektor dan membuat bentuk gelombang versi digital yang dapat dianalisis secara offline. Para peneliti didukung dalam upaya oleh Laboratory for Elementary-Particle Physics (LEPP), dan digitizer mereka memasukkan chip pengubah analog-ke-digital khusus senilai $ 200.000 yang disumbangkan oleh Texas Instruments.

Kelompok Gibbons juga membangun salah satu dari pasangan paket rekonstruksi yang membantu kolaborator mereka mengurai dan menganalisis data yang dikumpulkan, dan mereka dibantu dalam mendapatkan pengukuran yang paling tepat oleh David Rubin, Profesor Emeritus Fisika (A&S) Boyce D. McDaniel, yang membantu mengoreksi penyebaran muon momenta dalam berkas yang disimpan dan untuk gerakan vertikal kecil sebagai kecepatan berkas di sekitar cincin magnet. Dua fakultas Cornell lainnya, Toichiro “Tom” Kinoshita, profesor emeritus fisika, dan G. Peter Lepage, Profesor Fisika Goldwin Smith, keduanya di A&S, berkontribusi pada prediksi Model Standar g-2, yang dibandingkan dengan proyek tersebut.

Sebagai sentuhan akhir yang pas, Gibbons memilih untuk membuat pelat depan digitizer Cornell berwarna merah.

Dengan begitu banyak informasi subatom yang harus disaring, enam kelompok berbeda bekerja untuk mengonfirmasi frekuensi presesi muon secara terpisah. Gibbons membantu merancang perangkat lunak yang membutakan yang akan memastikan kelompok membuat perhitungan mereka secara mandiri.

Kemudian tibalah waktunya untuk membandingkan hasil.

“Saya harus mengatakan, itu menegangkan. Anda masuk ke dalam ruangan, dan ada semua titik yang tersebar di semua tempat dari semua offset, dan Anda harus memutuskan, oke, apakah kita akan membandingkan hasilnya sekarang? Dan akankah mereka setuju? ” Kata Gibbons. “Kami mencoba mengukur sesuatu hingga 500 bagian per miliar. Rentang yang kami miliki adalah plus atau minus 25 bagian per juta pada frekuensi yang kami coba ukur. Ada desahan lega ketika kami menemukan semuanya sesuai dengan indahnya. . “

Dan ketika semua kolaborator internasional datang bersama-sama untuk pelepasan buta akhir dari pengukuran medan magnet dan memeriksanya dengan hasil Brookhaven yang asli?

“Ya ampun. Rasanya seperti topi terbang di udara,” kata Gibbons. “Itu adalah kombinasi kegembiraan dan kelegaan.”

Hasil dari percobaan pertama ini hanya mewakili 6% dari data yang diharapkan peneliti dapat dikumpulkan pada akhirnya. Analisis tambahan telah dimulai pada proses kedua dan ketiga, yang akan menghasilkan data tiga hingga empat kali lebih banyak. Ini akan menjadi 10 tahun sebelum semua analisis selesai.

“Kami berada tepat di atas hasil ini yang benar-benar dapat menunjukkan bahwa ada sesuatu yang benar-benar baru sedang terjadi. Kami benar-benar ingin mendorong ketidakpastian, ketepatan, untuk membuat pernyataan sekuat mungkin yang kami dapat secara eksperimental,” kata Gibbons, yang mulai bekerja. pada proyek tahun 2011. “Kita mungkin mencapai sesuatu yang sangat mendalam, sesuatu yang tidak kita mengerti. Dan kita masih harus mencari tahu apa itu.”

Jurnal Referensi:

• B. Abi et al. Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm. Physical Review Letters, 2021; 126 (14) DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801