Mu2e

Mu2e , ou Muon -to- Electron Conversion Experiment , est une expérience de physique des particules menée au Fermilab aux États-Unis. L'objectif de l'expérience est d'identifier la physique au-delà du modèle standard , à savoir la conversion des muons en électrons sans émission de neutrinos , qui se produit dans un certain nombre de modèles théoriques. L'ancien co-porte-parole du projet, Jim Miller, compare ce processus à l'oscillation des neutrinos , mais pour les leptons chargés . Le taux de ce processus dans le modèle standard de la physique des particules est inobservable, donc toute observation de ce processus constituerait une découverte majeure et indiquerait une nouvelle physique au-delà du modèle standard. L'expérience sera 10 000 fois plus sensible que les précédentes expériences de conversion des muons en électrons et sondera des échelles d'énergie effectives allant jusqu'à 10 000 TeV .

Les physiciens recherchent la violation de saveur depuis les années 1940. La violation de saveur parmi les neutrinos a été prouvée en 1998 lors de l' expérience Super-Kamiokande au Japon.

En 1989, les physiciens russes Vladimir Lobashev et Rashid Djilkibaev ont proposé une expérience visant à rechercher la violation de la saveur des leptons. L'expérience, appelée MELC, a été menée de 1992 à 1995 à l' usine de mésons de Moscou , à l' Institut de recherche nucléaire de Russie, avant d'être arrêtée en raison des crises politiques et économiques de l'époque.

En 1997, le physicien américain William Molzon a proposé une expérience similaire au Brookhaven National Laboratory . La recherche et le développement de l'expérience MECO ont commencé en 2001, mais le financement a été interrompu en 2005.

Mu2e est basé sur l'expérience MECO proposée à Brookhaven et sur l'expérience MELC antérieure de l'Institut russe de recherche nucléaire. La ​​recherche et le développement pour l'expérience Mu2e ont commencé en 2009, la conception étant achevée à la mi-2011. En juillet 2012, Mu2e a reçu l'approbation de la décision critique 1 (le deuxième des cinq niveaux de décision critique) du ministère de l'Énergie , environ un mois après l'examen initial. Le chef de projet Ron Ray a affirmé : « Je ne connais aucun autre projet qui ait reçu l'approbation aussi rapidement après examen. » Le financement de l'expérience Mu2e a été recommandé par le Particle Physics Project Prioritization Panel du ministère de l'Énergie , dans son rapport de 2014.

La pose de la première pierre du hall de détection a eu lieu le 18 avril 2015. Initialement, la mise en service était prévue pour 2019 et les résultats préliminaires étaient attendus pour 2020 ; cependant, le projet a été considérablement retardé et, en 2022, l'expérience devait commencer en 2026. La livraison de deux aimants de General Atomics a été retardée, contribuant au décalage de la date de début. L'expérience devrait durer trois ans.

Des améliorations ultérieures du détecteur pourraient augmenter la sensibilité de l’expérience d’un à deux ordres de grandeur, permettant une étude plus approfondie de toute conversion de leptons chargés qui pourrait être découverte lors de l’exécution initiale.

En février 2024, deux solénoïdes de transport Mu2E ont été construits et déplacés du bâtiment d'assemblage lourd du Fermilab vers la salle des détecteurs, où l'assemblage final sera terminé.

L'appareil Mu2e mesurera 28 mètres de long et sera composé de trois sections. Le coût total de l'expérience est de 271 millions de dollars.

Des éléments recyclés du collisionneur Tevatron serviront à générer et à délivrer un faisceau de protons de 8 GeV . Les protons seront extraits de l'anneau de livraison du Fermilab par un processus d'extraction par résonance non linéaire au troisième entier et envoyés en impulsions vers la cible en tungstène. Ces protons entreront ensuite en collision avec la cible de production en tungstène dans le solénoïde de production, produisant une cascade de particules comprenant des pions , qui se désintègrent en muons. Mu2e produira entre 200 et 500 quadrillions (2×10 ¹⁷ à 5×10 ¹⁷ ) de muons par an. Pour 300 protons frappant la cible de production, environ un muon entrera dans le solénoïde de transport.

Le champ magnétique de 4,5 Tesla d'un solénoïde de production dirigera certaines des particules produites dans un solénoïde de transport sous vide en forme de S de 2 Tesla , composé de 50 électroaimants supraconducteurs distincts, qui sélectionneront les muons par charge et impulsion, et transporteront les muons lents souhaités vers le détecteur après un certain délai.

En entrant dans le solénoïde du détecteur, les muons heurteront (et s'arrêteront à l'intérieur) d'une cible en aluminium d'environ 0,2 mm d'épaisseur, entrant dans les orbitales autour des noyaux à l'intérieur de la cible. Tous les muons qui se convertissent en électrons sans émettre de neutrinos s'échapperont de ces orbitales et entreront dans le détecteur avec une énergie caractéristique de 104,97 MeV (qui est la masse du muon moins l'énergie de liaison d'environ 0,5 MeV et l'énergie de recul nucléaire d'environ 0,2 MeV).

Le détecteur lui-même se compose de deux éléments principaux : un traqueur de paille pour mesurer l' impulsion des particules sortantes ; et un calorimètre électromagnétique pour identifier les interactions de particules à enregistrer pour une étude plus approfondie, identifier le type de particule qui a traversé le traqueur et confirmer les mesures du traqueur. Un électron avec une énergie d'environ 105 MeV indiquera que l'électron provient d'une conversion de muons sans neutrinos.

Afin de perturber le moins possible le chemin des électrons, le traqueur utilise le moins de matériaux possible. Le traqueur à chambre à fils est constitué de panneaux de pailles de mylar métallisé de 15 microns d'épaisseur remplies d' argon et de dioxyde de carbone , les pailles les plus fines jamais utilisées dans une expérience de physique des particules. Des composants électroniques à chaque extrémité des pailles enregistreront le signal produit lorsque les électrons interagissent avec le gaz dans la paille, ce qui permettra de reconstituer la trajectoire des électrons.

Le taux de conversion sans neutrinos des muons en électrons était auparavant limité par l' expérience MEG à moins de 2,4×10 ⁻¹² , et encore limité à 7×10 ⁻¹³ par l'expérience SINDRUM II à l' Institut Paul Scherrer en Suisse. Mu2e a une sensibilité attendue de 5×10 ⁻¹⁷ , quatre ordres de grandeur au-delà de SINDRUM II, ce qui signifie qu'il verra un signal si seulement un muon sur 100 quadrillions se transforme en électron.

En octobre 2018 , la collaboration Mu2e comprenait 240 personnes issues de 40 institutions dans six pays. La ​​collaboration est dirigée par les co-porte-parole Bob Bernstein (Fermilab) et Stefano Miscetti (INFN Frascati). La chef de projet pour Mu2e est Julie Whitmore ; les chefs de projet adjoints sont Karen Byrum et Paul Derwent.