Prima di Mu2e, c'era MECO.

Scienziati, ricercatori, e gli ingegneri erano estasiati. Avevano cercato di eseguire l'esperimento di conversione da muone a elettrone per quasi due decenni in due continenti, e ora sarebbe stato finalmente costruito al Brookhaven National Laboratory.

Imperterrito quando il progetto è stato ritirato nel 2005, hanno adattato i loro piani e progetti per eseguire questo esperimento innovativo al Fermi National Accelerator Laboratory a Batavia, Illinois.

L'enigma del muone

Mu2e mira a risolvere un mistero che ha lasciato perplessi sia gli sperimentali che i teorici sin dalla scoperta del muone nel 1936:gli scienziati non hanno mai osservato un muone trasformarsi nel suo cugino più leggero, l'elettrone, senza emettere anche altre particelle.

L'osservazione della conversione diretta da muone a elettrone "fornirebbe prove inequivocabili della fisica oltre il Modello Standard, ", ha affermato il co-portavoce dell'esperimento Jim Miller, uno scienziato alla Boston University.

elettroni, muoni e taus sono aromi di particelle chiamate leptoni. Proprio come la fragola, cioccolato e gelato alla vaniglia non possono trasformarsi l'uno nell'altro, pur essendo gusti di gelato napoletano, sembra che ai muoni sia impedito di convertirsi direttamente in elettroni.

Misurando un tale processo di conversione una volta, figuriamoci più volte nel corso di un esperimento, non è un'impresa facile. Per osservare il segnale di conversione da muone a elettrone, Mu2e sarà circa 10, 000 volte più potente dell'esperimento SIDRUM II, che ha finito di raccogliere dati nel 2000 ed è stato l'ultimo esperimento per cercare la conversione diretta da muone a elettrone.

Se solo uno su 100 milioni di miliardi (10 ¹⁷ ) i muoni si trasformano in elettroni, Mu2e lo vedrà.

Produrre pioni:il racconto di un bersaglio

Prima che questo possa accadere, i fisici hanno bisogno di pioni.

L'obiettivo di produzione, un materiale accuratamente sagomato che intercetta un fascio di particelle, assume quel compito critico ma difficile. Quando un raggio di protoni colpisce l'obiettivo di produzione fisso, i pioni escono in tutte le direzioni e decadono quasi immediatamente in muoni, che scendono a spirale attraverso altri componenti dell'esperimento fino a un rivelatore, da cui (si spera) emergono come elettroni.

I componenti Mu2e sono realizzati con il minor materiale possibile perché le interazioni delle particelle aumentano con la quantità di materiale nell'esperimento, interferire con il segnale che i ricercatori sperano di osservare. Ciò ha presentato sfide uniche al team di progettazione dell'obiettivo di produzione.

Risiedendo in una camera a vuoto all'interno di un magnete cilindrico superconduttore, l'obiettivo di produzione è soggetto a condizioni estreme. Un raggio di protoni colpisce il bersaglio ogni secondo, facendo aumentare la sua temperatura fino a circa 1, 700 gradi Celsius (3, 092 gradi Fahrenheit), la temperatura sperimentata dalle parti più calde di una navetta spaziale della NASA che rientra nell'atmosfera terrestre.

I ricercatori si sono presto resi conto che il loro progetto iniziale, una reliquia dell'esperimento MECO, era costoso. Troppo caro. Un'asta d'oro racchiusa in una giacca di titanio, questo obiettivo doveva essere raffreddato con acqua circolante tramite un elaborato sistema di pompe dell'acqua, ugelli e altre infrastrutture.

"È stato allora che alcuni dei nostri colleghi hanno sottolineato che potremmo non aver bisogno di raffreddare attivamente l'obiettivo, " ha detto Steve Werkema, gestore dell'aggiornamento dell'acceleratore per Mu2e.

Due modifiche:passare a un bersaglio che rilascia calore da solo, chiamato bersaglio raffreddato radiativamente, e riducendo la potenza del raggio da 25 kilowatt a 8 kilowatt, non solo risparmiando denaro e semplificando l'infrastruttura, ma riducendo anche i problemi di sicurezza.

Ora, i ricercatori avevano bisogno di un nuovo obiettivo di produzione. Per il materiale di destinazione, si sono rivolti a una sezione della tavola periodica nota come metalli refrattari. I metalli refrattari sono vantaggiosi in esperimenti come Mu2e perché hanno punti di fusione elevati e sono contrari alla corrosione anche a temperature elevate.

I ricercatori alla fine hanno scelto il tungsteno, un pesante, metallo denso in grado di resistere alle alte temperature e ai brutali colpi di fasci di fasci di protoni. Questo ha deciso, era tornato al tavolo da disegno, letteralmente.

Rivisitare, rivedere e ripetere

Il primo bersaglio di tungsteno Mu2e sembrava uno spesso, matita lunga. Sei millimetri (circa 0,25 pollici) di diametro e 160 millimetri (poco più di 6 pollici) di lunghezza, la bacchetta di tungsteno produceva molti pioni.

Il problema? Non c'era modo di sostenere questa struttura nel vuoto.

Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno attaccato parti che sembrano megafoni a entrambe le estremità dell'asta. I raggi simili a spaghetti sospese questi componenti in una struttura ad anello di bicicletta che fissa il bersaglio e assiste un braccio robotico con la rimozione e lo smaltimento del bersaglio.

"È stato allora che abbiamo iniziato a scoprire i problemi che dovevamo superare, uno per uno, "Ha detto Werkema.

Il primo problema che hanno riscontrato è stata la corrosione.

ordinariamente, il tungsteno è resistente alla corrosione, ma gli studi hanno dimostrato che anche la più piccola quantità di ossigeno nella camera a vuoto causa problemi a temperature e pressioni Mu2e.

"Pensa come alla tua macchina. I parafanghi arrugginiscono e ottieni questi grossi pezzi di ruggine che cadono, e ben presto non ti rimane più il parafango, "ha detto Dave Pushka, capo ingegnere del target di produzione al Fermilab.

L'obiettivo di produzione si corroderebbe così velocemente da non durare un anno. I ricercatori hanno migliorato la camera a vuoto per mitigare questo effetto. Mentre anticipano ancora la formazione di ossido di tungsteno, non dovrebbe essere sufficiente per far fallire rapidamente il bersaglio.

I ricercatori si sono quindi chiesti:per quanto tempo un raggio di protoni potrebbe bombardare il bersaglio prima che fallisse a causa dello stress e della fatica? In un traguardo importante, I ricercatori del Rutherford Appleton Laboratory in Inghilterra hanno sviluppato un prototipo di bersaglio e lo hanno colpito con un impulso elettrico finché non si è guastato. Hanno concluso che, almeno da quella modalità di guasto, l'obiettivo durerebbe più di un anno.

La terza sfida era la temperatura. I ricercatori erano preoccupati che il bersaglio potesse deformarsi come un panetto di burro in un picnic di luglio prima di raggiungere la sua durata prescritta (circa 43 settimane di tempo del raggio).

Quando i protoni raggiungono l'obiettivo di produzione, l'energia cinetica si trasforma in calore, facendo sì che il bersaglio si espanda verso l'esterno e si abbassi nel mezzo. Questa instabilità provoca ancora più cedimenti, mentre i raggi che sostengono il bersaglio ne tirano insieme le estremità, mettendo più forza su entrambe le estremità e facendo cedere ulteriormente il bersaglio.

Le persone su entrambe le sponde dell'Atlantico hanno lavorato in una competizione amichevole per sviluppare il miglior modello di destinazione. In definitiva, diversi elementi di design, come le molle che collegano i raggi all'anello della bicicletta, sono stati introdotti per combattere la fatica e l'abbassamento del bersaglio.

Nella sua versione attuale, il bersaglio sembra ancora molto simile a una matita non affilata. è grigio, relativamente pesante, e 200 millimetri (quasi 8 pollici) di lunghezza, con anelli cilindrici su ciascuna estremità, alette che dissipano il calore dal nucleo bersaglio e si rinforzano contro l'abbassamento e lo spazio vuoto che separa i segmenti dell'asta centrale.

le pinne, che fanno sembrare il bersaglio una stella dalle estremità, richiedono finezza per funzionare come previsto sotto il duro raggio di protoni.

"Quando aggiungi più pinne, la superficie di una pinna non vede temperature più fresche. Vede invece un'altra pinna alla stessa temperatura calda. Ciò significa che ci sono alcuni rendimenti decrescenti in termini di struttura delle alette e numero e dissipazione del calore, " ha detto Puška.

Il responsabile del progetto Mu2e Ron Ray di Fermilab ha suggerito che la segmentazione del nucleo del bersaglio potrebbe migliorare questo problema dipendente dalla temperatura. I ricercatori hanno scoperto che introducendo spazi tra brevi, segmenti cilindrici di tungsteno consentono loro di regolare le temperature lungo il bersaglio.

I guardiani del design ottimale del bersaglio

Nel frattempo, tre squadre di ingegneri lavorano per eliminare quante più sorprese possibili al beam-on.

"Il team del target di produzione vuole sapere cosa succede con ogni modifica al target o al raggio, "ha detto Kevin Lynch, professore di fisica allo York College della City University di New York e membro del team di progettazione degli obiettivi di produzione di Mu2e. "I nostri modelli tracciano tutto, dalla produzione di pioni alle conversioni da muone a elettrone al modo in cui l'energia si accumula nei componenti durante l'esperimento".

Questi calcoli indipendenti, eseguita dal team di Lynch allo York College e dal team di Bob Bernstein al Fermilab, sono ciò con cui lavora l'ingegnere senior Ingrid Fang.

Zanna, che lavora al Fermilab da oltre due decenni, applica i calcoli di Lynch alla geometria fornita da Pushka, imposta il modello, e risolve stress e temperatura in ogni punto del bersaglio. Le simulazioni sono così complesse che un supercomputer impiega tre o più giorni per risolvere milioni di equazioni.

"Dobbiamo trovare quel punto debole tra la temperatura e la resa dei muoni, " ha detto Fang.

È il risultato di Fang che viene studiato dagli scienziati, ricercatori e ingegneri. È il risultato di Fang che prende o infrange le decisioni. È il risultato di Fang che alla fine determina se l'obiettivo di produzione si sposta sulla costruzione o torna al design.

"Ora, è il gran finale, " Fang dice del design attuale. "Abbiamo combinato il bersaglio con la sua struttura portante e abbiamo messo tutti i carichi, compreso il fascio pulsante, carico di radiazione, gravità, e pretensionamento sui bulloni che fissano il sistema, nel modello, e i risultati sembrano molto promettenti".

Costruire un obiettivo 101

I ricercatori sanno che la vita in laboratorio è piena di alti e bassi, armeggiare e revisionare. Quello che originariamente era iniziato come un oro, l'asta raffreddata ad acqua si è evoluta in un segmento segmentato e alettato, raffreddato radiativamente, apparato di tungsteno che soddisfa gli obiettivi del progetto. Scienziati, ricercatori, ingegneri e analisti hanno esaminato più di 35 progetti target nel corso degli anni.

I ricercatori rimangono imperterriti mentre ora affrontano l'ultima sfida:costruire effettivamente l'obiettivo di produzione.

"Il tungsteno è difficile da lavorare. Non puoi tagliarlo con un tornio. Non puoi segarlo. Deve essere rettificato o lavorato a scarica di elettrodi, " ha detto Pushka. Nota che ci sono almeno tre o quattro appaltatori nell'area di Chicagoland, e più oltre, chi può svolgere questo intricato lavoro.

Werkema e Pushka stimano che l'obiettivo impiegherà 12 settimane per la produzione e altre 12 settimane per assemblare e allineare con la trave. Quindi, dopo che la costruzione di Mu2e sarà terminata nel 2022, c'è un altro anno di setup, misurazioni e calibrazione necessarie prima che l'esperimento inizi a funzionare nel 2023.

"Sembra molto tempo lontano, ma sembra che non ci sia tempo se si considera che i primi progetti sono stati realizzati alla fine degli anni '90. Proprio adesso, sembra che stiamo finendo perché abbiamo superato tutte queste sfide ingegneristiche e di design, e ora nuove cose si presentano e vengono installate ogni settimana. Puoi effettivamente vedere i progressi, "Dice Werkema.

"Ho lavorato a molti esperimenti al Fermilab, " Pushka ha detto. "Mu2e è il più difficile, l'esperimento più difficile a cui abbia mai lavorato e, Penso, che abbiamo mai provato a tirare fuori. È estremamente difficile dal punto di vista scientifico e ingegneristico".

Sembra che i ricercatori, per adesso, sono sull'obiettivo di scoprire nuova fisica attraverso Mu2e.