La costruzione dell'esperimento Mu2e al Fermilab del Dipartimento dell'Energia ha raggiunto un traguardo importante. Una sezione cruciale di magneti per l'esperimento, compresi i componenti dall'Italia, Giappone e Stati Uniti, ha superato i rigorosi test necessari per garantire che ogni singolo magnete soddisfi le prestazioni richieste per l'esperimento.

quei magneti, parte di una sezione chiamata solenoide di trasporto, saranno messi insieme per formare una parte nuova del progetto Mu2e. Il progetto Mu2e ha raggiunto complessivamente l'80% di completamento, secondo il responsabile del progetto Mu2e Ron Ray.

Quando operativo, l'esperimento Mu2e raggiungerà 10, 000 volte la sensibilità degli esperimenti precedenti alla ricerca della conversione diretta di un muone in un elettrone per testare una delle simmetrie fondamentali nella fisica delle particelle.

Perché muoni?

I muoni potrebbero essere la chiave per svelare un mistero sconcertante nella fisica delle particelle. Il mistero nasce dal Modello Standard, o, più accuratamente, i fori all'interno del Modello Standard.

Nella seconda metà del XX secolo, gli scienziati hanno sviluppato quello che è diventato noto come il modello standard della fisica. Il modello mette in relazione tre delle quattro forze fondamentali:quella elettromagnetica, la forza debole e quella forte, l'una verso l'altra. Classifica anche tutte le particelle elementari conosciute.

Ma fin dall'inizio, il Modello Standard ha lasciato inspiegabili alcuni fenomeni. Non include la quarta forza dell'universo, gravità, né affronta l'espansione accelerata dell'universo dovuta all'energia oscura o all'esistenza della materia oscura.

Allora dove entrano i muoni?

Nel modello standard, il muone, insieme all'elettrone e alla tau, appartengono a una famiglia di particelle chiamate leptoni. Ogni leptone ha una particella partner chiamata neutrino:il neutrino muonico, neutrino elettronico e neutrino tau. A differenza dei loro partner, i neutrini mancano di carica elettrica. Gli scienziati hanno osservato il morphing dei neutrini tra i loro tre tipi, e hanno ragione di credere che i leptoni carichi potrebbero fare lo stesso. Tutto ciò di cui hanno bisogno è il giusto tipo di esperimento per scoprirlo.

Il giusto tipo di esperimento

È qui che entra in gioco Mu2e.

L'esperimento è lungo circa un terzo di un campo da calcio e sarà di 10, 000 volte più preciso quando si tratta di cercare questa conversione da muone a elettrone rispetto a un simile, precedente esperimento denominato SINDRUM II. Una delle differenze chiave rispetto agli esperimenti precedenti è il sistema di Mu2e di tre sistemi magnetici superconduttori:il solenoide di produzione, il solenoide di trasporto e il solenoide del rivelatore.

Il solenoide di produzione è dove vengono creati i muoni. Un raggio di protoni colpisce un bersaglio, e l'interazione alla fine produce muoni. Con l'aiuto di magneti, questi muoni poi avvolgono il solenoide di trasporto a forma di S.

Il solenoide di trasporto, una parte critica del setup sperimentale, è diviso in due metà. I muoni percorrono la prima metà del corridoio tortuoso, dove sono separati dalla carica. Al punto medio del solenoide, incontrano uno speciale dispositivo che permette solo ai muoni carichi negativamente di passare attraverso la seconda sezione curva. I muoni negativi quindi escono dal solenoide di trasporto ed entrano nel prossimo grande magnete, il solenoide del rivelatore. Là, si fermano in un secondo obiettivo.

È a questo punto che avviene la magia, la magia della meccanica quantistica.

Quando un muone negativo colpisce un bersaglio, secondo il Modello Standard può accadere solo una delle due cose:o il muone viene catturato dal nucleo, trasformando un protone in un neutrone e lasciando dietro di sé un neutrino, o il muone decade, emettendo un elettrone e due neutrini.

Ma Mu2e sta cercando una terza opzione:la trasformazione di un muone in solo un elettrone, non accompagnati dai soliti partner di neutrini. L'osservazione di questo processo romperebbe completamente il Modello Standard, dimostrando che un leptone carico può convertirsi direttamente in un altro, un processo teorizzato a cui nessuno ha mai assistito.

"Quello che facciamo al Fermilab è pura ricerca, e stiamo cercando di arricchire l'esperienza umana aiutando le persone a capire l'universo e il mondo in cui viviamo, "Ha detto Ray. "E alla fine si tratta di cercare di completare il quadro del Modello Standard riempiendo alcuni buchi che sappiamo esistono".

Costruzione del solenoide di trasporto

Fare in modo che tutto ciò accada è ancora più difficile di quanto sembri, e il solenoide di trasporto è una parte importante della progettazione dell'esperimento, permettendogli di essere abbastanza sensibile per osservare questo raro fenomeno, se esiste. Il solenoide di trasporto è stato proposto per la prima volta decenni fa per affrontare i limiti dei precedenti esperimenti di conversione da muone a elettrone. Fermilab è il primo a portare pienamente a compimento questa nuova idea.

Ma prima tutte le parti devono unirsi.

Recentemente, Mu2e ha ricevuto e testato le sette unità superconduttrici che formano la prima porzione del solenoide di trasporto. Rigorosi test delle singole unità, che sono stati prodotti nell'industria, assicura che soddisfino le prestazioni richieste per l'esperimento.

"Per questo progetto, stiamo collaborando con industrie sparse in tutto il mondo, " disse Vito Lombardo, Mu2e manager per i solenoidi di trasporto. "I cavi superconduttori, gli elementi costitutivi di questi magneti, veniva dal Giappone, le unità superconduttrici che formano i magneti a forma di S sono prodotte in Italia e testate al Fermilab, mentre i criostati e gli scudi termici, i dispositivi che aiutano a mantenere freddi i magneti, vengono dagli Stati Uniti".

Fermilab sta coordinando questa partnership globale.

Se la pianificazione richiesta per l'esperimento non fosse abbastanza complicata, la forma a S del solenoide lo rende ancora di più:ogni unità magnetica è unica. Ciò significa che i magneti non solo devono essere assemblati in un ordine specifico, ma che l'esperimento non può fare affidamento sui ricambi.

"Sono una forma molto divertente, " ha spiegato Karie Badgley, uno degli scienziati che lavorano su Mu2e. "Non puoi semplicemente ordinarli come faresti con altri magneti, soprattutto con le strette tolleranze che richiediamo."

I rigorosi test a cui il Fermilab sottopone ciascuno di questi magneti dura circa quattro mesi.

"È stato molto grande, passi importanti, " Badgley ha detto. "Ecco perché è così eccitante che questo primo tempo è quasi finito. Possiamo finalmente iniziare a metterlo insieme e vedere l'intero aspetto magnetico della sezione a monte riunirsi".

Accettati i sette magneti che costituiscono la prima metà del solenoide di trasporto, il team sta già mettendo insieme la sezione. Nel frattempo, iniziano i test sui magneti per la seconda sezione.

La costruzione di Mu2e dovrebbe terminare nel 2023, e l'esperimento sarà pronto per iniziare a prendere dati fisici poco dopo.