Mu2e
Mu2e , czyli eksperyment konwersji mionu na elektron , jest eksperymentem fizyki cząstek elementarnych w Fermilab w USA. Celem eksperymentu jest rozpoznanie fizyki wykraczającej poza Model Standardowy , a mianowicie przemiany mionów w elektrony bez emisji neutrin , co ma miejsce w wielu modelach teoretycznych. Współrzecznik projektu, Jim Miller, porównuje ten proces do oscylacji neutrin , ale dla naładowanych leptonów . Obserwacja tego procesu pomoże zawęzić zakres prawdopodobnych teorii. Eksperyment będzie 10 000 razy bardziej czuły niż poprzednie eksperymenty z konwersją mionów na elektrony, a energia sondy skaluje się do 10 000 TeV .
Oś czasu
Wcześniejsza praca
Fizycy szukali naruszenia smaku od lat czterdziestych XX wieku. Naruszenie smaku wśród neutrin zostało udowodnione w 1998 roku w Super-Kamiokande w Japonii.
W 1989 roku rosyjscy fizycy Vladimir Lobashev i Rashid Djilkibaev zaproponowali eksperyment mający na celu poszukiwanie naruszenia smaku leptonu. Eksperyment o nazwie MELC działał od 1992 do 1995 roku w Moskiewskiej Fabryce Mezonów w Instytucie Badań Jądrowych w Rosji, zanim został zamknięty z powodu ówczesnego kryzysu politycznego i gospodarczego.
W 1997 roku amerykański fizyk William Molzon zaproponował podobny eksperyment w Brookhaven National Laboratory . Badania i rozwój eksperymentu MECO rozpoczęły się w 2001 roku, ale finansowanie zostało wycofane w 2005 roku.
Rozwój
Mu2e opiera się na eksperymencie MECO zaproponowanym w Brookhaven i wcześniejszym eksperymencie MELC w rosyjskim Instytucie Badań Jądrowych. Badania i rozwój eksperymentu Mu2e rozpoczęły się w 2009 roku, a projekt koncepcyjny został ukończony w połowie 2011 roku. W lipcu 2012 r. Mu2e otrzymało zatwierdzenie decyzji krytycznej 1 (drugi z pięciu poziomów decyzji krytycznych) od Departamentu Energii , około miesiąca po wstępnej ocenie. Kierownik projektu Ron Ray zapewnił: „Nie znam żadnego innego projektu, który otrzymałby tak szybkie potwierdzenie po sprawdzeniu”. Finansowanie eksperymentu Mu2e zostało zarekomendowane przez Departament Energii Panel Priorytetyzacji Projektów Fizyki Cząstek w swoim raporcie z 2014 r.
Budowa i działanie
Wmurowanie kamienia węgielnego pod halę detektorów miało miejsce 18 kwietnia 2015 r. Pierwotnie uruchomienie przewidywano na 2019 r., a wstępne wyniki oczekiwano na 2020 r.; projekt został jednak znacznie opóźniony, aw 2022 r. eksperyment miał się rozpocząć w 2026 r. Dostawa dwóch magnesów od General Atomics została opóźniona, co przyczyniło się do przesunięcia daty rozpoczęcia. Oczekuje się, że eksperyment potrwa trzy lata.
Późniejsze ulepszenia detektora mogą zwiększyć czułość eksperymentu o jeden do dwóch rzędów wielkości, umożliwiając bardziej dogłębne badanie każdej konwersji naładowanego leptonu, którą można wykryć w początkowej fazie.
Projekt
Urządzenie Mu2e będzie miało 92 stopy (28 m) długości i będzie składało się z trzech sekcji. Całkowity koszt eksperymentu to 271 milionów dolarów.
Produkcja mionów
Przetworzone elementy ze zderzacza Tevatron zostaną wykorzystane do wygenerowania i dostarczenia wiązki protonów o energii 8 GeV . Protony będą wydobywane z pierścienia dostarczającego Fermilaba poprzez nieliniowy proces ekstrakcji rezonansowej trzeciej liczby całkowitej i wysyłane w impulsach do tarczy wolframowej. Te protony zderzą się następnie z wolframu w solenoidzie produkcyjnym, tworząc kaskadę cząstek, w tym pionów , które rozpadają się na miony. Mu2e wyprodukuje od 200 do 500 biliardów (od 2×10 17 do 5×10 17 ) mionów rocznie. Na każde 300 protonów uderzających w cel produkcyjny około jednego mionu dostanie się do elektromagnesu transportowego.
Transport
Pole magnetyczne elektromagnesu produkcyjnego o natężeniu 4,5 tesli skieruje część wytwarzanych cząstek do solenoidu transportowego w kształcie litery S o mocy 2 tesli , składającego się z 50 oddzielnych elektromagnesów nadprzewodzących , które będą wybierać miony na podstawie ładunku i pędu oraz przenosić pożądane spowolnienie miony do detektora z pewnym opóźnieniem czasowym.
Wykrycie
Wchodząc do solenoidu detektora, miony uderzą (i zatrzymają się) w aluminiowej tarczy o grubości około 0,2 mm, wchodząc na orbitale wokół jąder w tarczy. Wszelkie miony, które przekształcą się w elektrony bez emisji neutrin, uciekną z tych orbitali i wejdą do detektora z charakterystyczną energią 104,97 MeV (czyli masa mionu minus energia wiązania około 0,5 MeV i energia odrzutu jądrowego około 0,2 MeV).
Sam detektor składa się z dwóch elementów: słomkowego trackera do pomiaru pędu wychodzących cząstek; oraz kalorymetr elektromagnetyczny do określania, które interakcje cząstek należy rejestrować do dalszych badań, określania, jaki rodzaj cząstek przeszedł przez urządzenie śledzące oraz do potwierdzania pomiarów urządzenia śledzącego. Elektron o energii około 105 MeV wskaże, że elektron powstał w bezneutrinowej konwersji mionu.
Aby jak najmniej zakłócać ścieżkę elektronów, tracker zużywa jak najmniej materiału. Druciana komora śledząca składa się z paneli z metalizowanego mylaru o grubości 15 mikronów wypełnionych argonem i dwutlenkiem węgla , najcieńszych takich słomek, jakie kiedykolwiek zastosowano w eksperymencie fizyki cząstek elementarnych. Elektronika na każdym końcu słomek rejestruje sygnał wytwarzany, gdy elektrony oddziałują z gazem w słomce, umożliwiając rekonstrukcję trajektorii elektronów.
Wrażliwość
Szybkość bezneutrinowej konwersji mionów w elektrony była wcześniej ograniczona przez eksperyment MEG do mniej niż 2,4 × 10-12 , a następnie ograniczona do 7 × 10-13 przez eksperyment SINDRUM II w Instytucie Paula Scherrera w Szwajcarii. Mu2e ma oczekiwaną czułość 5×10-17 , cztery rzędy wielkości poza SINDRUM II, co oznacza, że zobaczy sygnał, jeśli tylko jeden na 100 biliardów mionów przekształci się w elektron.
Współpraca
Od października 2018 r. we współpracy Mu2e uczestniczyło 240 osób z 40 instytucji w sześciu krajach. Współpracą kierują współrzecznicy Douglas Glenzinski (Fermilab) i Jim Miller (Boston University). Kierownikiem projektu Mu2e jest Ron Ray; zastępcą kierownika projektu jest Julie Whitmore.
Zobacz też
Linki zewnętrzne
- Erlich, Ralf. „Eksperyment Mu2e” (PDF) . Max-Planck-Institut für Kernphysik.
- Zapis eksperymentu Mu2e na INSPIRE-HEP
