Mu2e

Mu2e , o Experimento de Conversión de Muones a Electrones , es un experimento de física de partículas en Fermilab en los EE. UU. ^[1] El objetivo del experimento es identificar la física más allá del Modelo Estándar , es decir, la conversión de muones a electrones sin la emisión de neutrinos , que ocurre en varios modelos teóricos. ^{[2] [3]} El ex portavoz del proyecto Jim Miller compara este proceso con la oscilación de neutrinos , pero para leptones cargados . ^[4] La tasa de este proceso en el Modelo Estándar de física de partículas es inobservablemente pequeña, por lo que cualquier observación de este proceso constituiría un descubrimiento importante e indicaría nueva física más allá del modelo estándar. ^[2] El experimento será 10.000 veces más sensible que los experimentos anteriores de conversión de muones a electrones, y sondeará escalas de energía efectivas de hasta 10.000 TeV . ^[2]

Los físicos han estado buscando la violación del sabor desde la década de 1940. ^[2] La violación del sabor entre los neutrinos se demostró en 1998 en el experimento Super-Kamiokande en Japón. ^[5]

En 1989, los físicos rusos Vladimir Lobashev y Rashid Djilkibaev propusieron un experimento para buscar la violación del sabor leptónico. El experimento, llamado MELC, funcionó entre 1992 y 1995 en la Fábrica de Mesones de Moscú del Instituto de Investigación Nuclear de Rusia, antes de ser suspendido debido a las crisis políticas y económicas de la época. ^[6]

En 1997, el físico estadounidense William Molzon propuso un experimento similar en el Laboratorio Nacional de Brookhaven . La investigación y el desarrollo del experimento MECO comenzaron en 2001, pero la financiación se retiró en 2005. ^[6]

Mu2e se basa en el experimento MECO propuesto en Brookhaven y el experimento anterior MELC en el Instituto de Investigación Nuclear de Rusia. ^[7] La ​​investigación y el desarrollo del experimento Mu2e comenzaron en 2009, y el diseño conceptual se completó a mediados de 2011. ^[3] En julio de 2012, Mu2e recibió la aprobación de Decisión crítica 1 (el segundo de los cinco niveles de decisión crítica) del Departamento de Energía , aproximadamente un mes después de la revisión inicial. ^[8] El director del proyecto, Ron Ray, afirmó: "No conozco ningún otro proyecto que haya recibido la aprobación tan rápidamente después de la revisión". ^[8] La financiación del experimento Mu2e fue recomendada por el Panel de Priorización de Proyectos de Física de Partículas del Departamento de Energía , en su informe de 2014. ^[9]

La inauguración de la sala de detectores tuvo lugar el 18 de abril de 2015. ^[10] Originalmente, la puesta en servicio estaba prevista para 2019 y los resultados preliminares se esperaban para 2020; ^[1] sin embargo, el proyecto se retrasó significativamente y, en 2022, se proyectó que el experimento comenzara en 2026. ^[11] La entrega de dos imanes de General Atomics se retrasó, lo que contribuyó al cambio en la fecha de inicio. ^[12] Se espera que el experimento funcione durante tres años. ^[7]

Es posible que mejoras posteriores del detector aumenten la sensibilidad del experimento en uno o dos órdenes de magnitud, lo que permitirá un estudio más profundo de cualquier conversión de leptones cargados que pueda descubrirse en la ejecución inicial. ^[2]

En febrero de 2024, se habían construido dos solenoides de transporte Mu2E y se habían trasladado desde el edificio de ensamblaje pesado del Fermilab a la sala de detectores, donde se completará el ensamblaje final.

El aparato Mu2e tendrá 28 metros de longitud y constará de tres secciones. ^[10] El coste total del experimento es de 271 millones de dólares. ^[13]

Los elementos reutilizados del colisionador Tevatron se utilizarán para generar y entregar un haz de protones de 8 GeV . Los protones se extraerán del anillo de entrega de Fermilab a través de un proceso de extracción de resonancia de tercer entero no lineal y se enviarán en pulsos al objetivo de tungsteno. Estos protones luego colisionarán con el objetivo de producción de tungsteno en el solenoide de producción, produciendo una cascada de partículas que incluyen piones , que se desintegran en muones. Mu2e producirá entre 200 ^[7] y 500 cuatrillones (2×10 ¹⁷ a 5×10 ¹⁷ ) de muones por año. ^[6] Por cada 300 protones que impacten en el objetivo de producción, aproximadamente un muón ingresará al solenoide de transporte. ^[7]

El campo magnético de 4,5 Tesla de un solenoide de producción dirigirá algunas de las partículas producidas a un solenoide de transporte evacuado de 2 Tesla en forma de S, que consta de 50 electroimanes superconductores separados, ^[14] que seleccionará muones por carga y momento, y llevará los muones lentos deseados al detector después de un cierto retraso de tiempo. ^[3]

Al entrar en el solenoide del detector, los muones chocarán (y se detendrán dentro de) un objetivo de aluminio de aproximadamente 0,2 mm de espesor, ^{[6] [13]} entrando en orbitales alrededor de núcleos dentro del objetivo. ^{[3] [10]} Cualquier muón que se convierta en electrones sin emitir neutrinos escapará de estos orbitales y entrará en el detector con una energía característica de 104,97 MeV (que es la masa del muón menos la energía de enlace de aproximadamente 0,5 MeV y la energía de retroceso nuclear de aproximadamente 0,2 MeV). ^{[6] [15]}

El detector en sí consta de dos componentes principales: un rastreador de paja para medir el momento de las partículas salientes; y un calorímetro electromagnético para identificar qué interacciones de partículas registrar para un estudio posterior, identificar qué tipo de partícula pasó a través del rastreador y confirmar las mediciones del rastreador. ^[15] Un electrón con energía de alrededor de 105 MeV indicará que el electrón se originó en una conversión de muón sin neutrinos. ^[16]

Para perturbar lo menos posible la trayectoria de los electrones, el rastreador utiliza la menor cantidad de material posible. El rastreador de cámara de alambre consta de paneles de pajitas de mylar metalizado de 15 micrones de espesor rellenas de argón y dióxido de carbono , las pajitas más delgadas de este tipo que se hayan utilizado jamás en un experimento de física de partículas. La electrónica en cada extremo de las pajitas registrará la señal producida cuando los electrones interactúan con el gas en la pajita, lo que permite reconstruir la trayectoria de los electrones. ^[16]

La tasa de conversión sin neutrinos de muones a electrones fue limitada previamente por el experimento MEG a menos de 2,4×10 ⁻¹² , y restringida aún más a 7×10 ⁻¹³ por el experimento SINDRUM II en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. ^[5] Mu2e tiene una sensibilidad esperada de 5×10 ⁻¹⁷ , cuatro órdenes de magnitud más allá de SINDRUM II, lo que significa que verá una señal si tan solo uno en 100 cuatrillones de muones se transforma en un electrón. ^{[5] [6]}

En octubre de 2018 ^[actualizar], la colaboración Mu2e incluía a 240 personas de 40 instituciones en seis países. ^[17] La ​​colaboración está liderada por los portavoces Bob Bernstein (Fermilab) y Stefano Miscetti (INFN Frascati). La directora del proyecto Mu2e es Julie Whitmore; los directores adjuntos del proyecto son Karen Byrum y Paul Derwent.

• Experimento del cometa

• Erlich, Ralf. "El experimento Mu2e" (PDF) . Instituto Max Planck para Kernphysik.
• Registro del experimento Mu2e en INSPIRE-HEP