Mu2e , o la Muon -a-- de electrones de conversiones de experimento , es una física de partículas experimento 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 en electrones sin la emisión de neutrinos , lo que ocurre en varios modelos teóricos. [2] [3] El co-portavoz del proyecto Jim Miller compara este proceso con la oscilación de neutrinos , pero para leptones cargados . [4]La observación de este proceso ayudará a reducir la gama de teorías plausibles. [2] El experimento será 10.000 veces más sensible que los experimentos anteriores de conversión de muones a electrones, y la energía de la sonda aumentará hasta los 10.000 TeV . [2]
Cronología
Trabajo prioritario
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 de los leptones. El experimento, llamado MELC, operó de 1992 a 1995 en la Fábrica de Mesones de Moscú en el Instituto de Investigación Nuclear de Rusia, antes de cerrarse 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 se retiraron los fondos en 2005. [6]
Desarrollo
Mu2e se basa en el experimento MECO propuesto en Brookhaven y el experimento MELC anterior 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 la Decisión Crítica 1 (el segundo de cinco niveles críticos de decisión) del Departamento de Energía , aproximadamente un mes después de la revisión inicial. [8] El gerente de proyectos, Ron Ray, afirmó: "No conozco ningún otro proyecto que haya recibido una aprobación tan rápida después de la revisión". [8] La financiación del experimento Mu2e fue recomendado por el Departamento de Energía 's Física de Partículas Proyecto Panel de priorización , en su informe de 2014. [9]
Construcción y operación
Pionero en la sala detector tuvo lugar el 18 de abril de 2015, con la sala de espera que se complete a finales de 2016. [10] Puesta en marcha del experimento se prevé en 2019, y los resultados preliminares son posibles alrededor de 2020. [1] El experimento Se espera que funcione durante tres años. [7]
Las mejoras posteriores al detector pueden aumentar la sensibilidad del experimento en uno o dos órdenes de magnitud, lo que permite un estudio más profundo de cualquier conversión de leptones cargados que se pueda descubrir en la ejecución inicial. [2]
Diseño
El aparato Mu2e tendrá 92 pies (28 m) de longitud y constará de tres secciones. [10] El costo total del experimento es de $ 271 millones. [11]
Producción de muones
Los elementos reutilizados del colisionador Tevatron se utilizarán para generar y entregar un haz de protones de 8 GeV . Los protones se extraerían del anillo de entrega de Fermilab a través de un proceso de extracción de resonancia de tercer entero no lineal y se enviarían en pulsos al objetivo de tungsteno. Estos protones chocarán con el objetivo de producción de tungsteno en el solenoide de producción, produciendo una cascada de partículas que incluyen piones , que se descomponen en muones. Mu2e producirá entre 200 [7] y 500 cuatrillones (2 × 10 17 a 5 × 10 17 ) muones por año. [6] Por cada 300 protones que golpean el objetivo de producción, aproximadamente un muón entrará en el solenoide de transporte. [7]
Transporte
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 , [12] que seleccionarán los muones por carga y momento, y transportarán los muones lentos deseados al detector después de algún tiempo de retraso. [3]
Detección
Al entrar en el solenoide detector, los muones golpearán (y se detendrán dentro) un objetivo de aluminio de aproximadamente 0,2 mm de espesor, [6] [11] entrando en los orbitales alrededor de los 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] [13]
El detector en sí consta de dos componentes: un rastreador de pajilla para medir el impulso de las partículas salientes; y un calorímetro electromagnético para identificar qué interacciones de partículas registrar para un estudio adicional, identificar qué tipo de partícula pasó a través del rastreador y confirmar las mediciones del rastreador. [13] Un electrón con una energía de alrededor de 105 MeV indicará que el electrón se originó en una conversión de muón sin neutrinos. [14]
Para perturbar la trayectoria de los electrones lo menos posible, 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 llenas de argón y dióxido de carbono , las pajitas más delgadas jamás utilizadas en un experimento de física de partículas. La electrónica en cada extremo de la pajita registrará la señal producida cuando los electrones interactúan con el gas en la pajita, lo que permite reconstruir la trayectoria de los electrones. [14]
Sensibilidad
La tasa de conversión sin neutrinos de muones a electrones estaba limitada previamente por el MEG experimento para menos de 2,4 × 10 -12 , y limitada además a 7 × 10 -13 por el SINDRUM II experimento 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 de cada 100 cuatrillones de muones se transforma en un electrón. [5] [6]
Colaboración
A octubre de 2018[actualizar], la colaboración Mu2e incluyó a 240 personas de 40 instituciones en seis países. [15] La colaboración está dirigida por los co-portavoces Douglas Glenzinski (Fermilab) y Jim Miller (Universidad de Boston). El director de proyecto de Mu2e es Ron Ray; la subdirectora del proyecto es Julie Whitmore.
Ver también
- Experimento del cometa
Referencias
- ^ a b "Mu2e: experimento de conversión de muón a electrón" . Fermilab. 21 de abril de 2015 . Consultado el 30 de abril de 2015 .
- ^ a b c d e "Objetivos de la investigación" . Fermilab. 17 de marzo de 2015 . Consultado el 1 de mayo de 2015 .
- ^ a b c d Glenzinski, Doug (febrero de 2011). "El experimento Mu2e en Fermilab" (PDF) . Universidad de Pensilvania . Consultado el 1 de mayo de 2015 .
- ^ Piergrossi, Joseph (10 de enero de 2013). "Los experimentos de muones del medio oeste continúan con el legado de la costa este" . Revista Symmetry . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ a b c Dorigo, Tommaso (3 de diciembre de 2012). "Mu2E: Explorando la violación del sabor de Lepton en Fermilab" . Ciencia 2.0 . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ a b c d e f Mustain, Andrea (junio de 2010). "Los chicos de muon: en busca de nueva física" . Revista Symmetry . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ a b c d "¿Como funciona?" . Fermilab. 17 de marzo de 2015 . Consultado el 30 de abril de 2015 .
- ^ a b Piergrossi, Joseph (20 de julio de 2012). "El Departamento de Energía avanza el experimento Mu2e de Fermilab" . Revista Symmetry . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ Jepsen, Kathryn (22 de mayo de 2014). "Plan propuesto para el futuro de la física de partículas de EE. UU.: El informe del Panel de priorización del proyecto de física de partículas recomienda un camino estratégico para la física de partículas de EE . UU . " . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ a b c Kwon, Diana (21 de abril de 2015). "Mu2e inicia la construcción de experimentos que buscan nueva física". Fermilab hoy .
- ^ a b "Mu2e-doc-4299-v15: Informe de diseño técnico de Mu2e (TDR)" . mu2e-docdb.fnal.gov . Consultado el 18 de enero de 2017 .
- ^ Salles, Andre (16 de diciembre de 2013). "Mu2e atrae a expertos en imanes" . Revista Symmetry . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ a b "Mu2e-doc-8084-v1: el experimento Mu2e en Fermilab" . mu2e-docdb.fnal.gov . Consultado el 18 de enero de 2017 .
- ^ a b "Cómo detectar una descomposición de partículas raras con un detector hecho de (casi) nada" . Newswise . 3 de marzo de 2015 . Consultado el 4 de mayo de 2015 .
- ^ "Colaboración" . Fermilab. 26 de octubre de 2018 . Consultado el 7 de diciembre de 2018 .
enlaces externos
- Erlich, Ralf. "El experimento Mu2e" (PDF) . Max-Planck-Institut für Kernphysik.