Jak experiment Mu2e pátrá po fyzice za hranicemi Standardního modelu

Zakázaná transformace

Hluboko pod prériemi v Batavii ve státě Illinois se ve Fermilabu připravuje 28 metrů dlouhý přístroj, který bude sledovat něco, co by se nikdy nemělo stát. Experiment Mu2e – zkratka pro Muon-to-Electron Conversion Experiment (Experiment přeměny mionu na elektron) – bude zkoumat kvadriliony mionů a čekat, až jediný z nich poruší pravidla fyziky, jak je známe.

Pravidlem, o kterém je řeč, je zachování vůně nabitých leptonů, princip zakotvený ve Standardním modelu částicové fyziky. Podle tohoto rámce se miony – těžší bratranci elektronů – mohou rozpadat na lehčí částice, ale vždy musí produkovat neutrina. Přeměna mionu přímo na elektron v blízkosti atomového jádra, bez jakýchkoli neutrin, by byla nezaměnitelným signálem, že působí neznámé síly nebo částice.

Proč na mionech záleží

Fyzici už vědí, že neutrina porušují zachování vůně: během letu oscilují mezi různými typy. Stejné chování však nebylo nikdy pozorováno u nabitých leptonů – elektronů, mionů a částic tau. Mnoho teorií, které rozšiřují Standardní model, včetně supersymetrie, modelů leptoquarků a extra-dimenzionálních rámců, předpovídá, že k porušení vůně nabitých leptonů (CLFV) by mělo docházet, jen s mimořádně nízkou četností.

Miony jsou pro toto hledání ideální. Nerozpadají se na hadrony, žijí dostatečně dlouho (asi 2,2 mikrosekundy), aby mohly být zachyceny a studovány, a lze je produkovat v obrovském množství. Tato kombinace poskytuje experimentátorům čisté prostředí s vysokou statistikou – přesně to, co je potřeba k odhalení události, která se může vyskytnout méně než jednou na každých 100 kvadrilionů interakcí mionů.

Jak experiment funguje

Mu2e využívá řetězec tří supravodivých solenoidových magnetů, z nichž každý má odlišnou roli:

• Produkční solenoid: Svazek protonů o energii 8 GeV z urychlovače Booster ve Fermilabu naráží do wolframového terče o velikosti tužky a produkuje spršku pionů, které se rychle rozpadají na miony. Systém generuje mezi 200 a 500 kvadriliony mionů ročně.
• Transportní solenoid: Padesát samostatných supravodivých elektromagnetů vede a filtruje mionový svazek podle náboje a hybnosti a směruje nízkoenergetické záporné miony k detektoru, přičemž odstraňuje nežádoucí částice.
• Detektorový solenoid: Miony narážejí na tenký hliníkový terč (tloušťka přibližně 0,2 mm) a jsou zachyceny na oběžnou dráhu kolem hliníkových jader. Pokud se mion přemění přímo na elektron, tento elektron vylétne s charakteristickou energií přesně 104,97 MeV – jedinečný signál, který jej odlišuje od běžných produktů rozpadu.

Signál zachycují dva přístroje. Drátkový tracker vyrobený z 18 panelů s 96 drátkovými trubicemi v každém panelu měří hybnost elektronu s extrémní přesností. Následně elektromagnetický kalorimetr postavený z krystalů jodidu cesného potvrzuje energii a časování částice. Systém pro potlačení kosmického záření obklopující přístroj odfiltruje šum pozadí z vesmíru.

10 000krát citlivější

Mu2e je navržen tak, aby dosáhl citlivosti 5 × 10⁻¹⁷ – o čtyři řády vyšší než předchozí nejlepší experiment, SINDRUM II, který probíhal v Paul Scherrer Institute ve Švýcarsku. Na této úrovni může detektor zkoumat efektivní energetické škály až do 10 000 TeV, což je daleko za hranicemi toho, čeho může přímo dosáhnout jakýkoli urychlovač částic, včetně Velkého hadronového urychlovače.

Tento nepřímý dosah je to, co činí hledání CLFV tak silným. Místo rozbíjení částic při stále vyšších energiích hledá Mu2e jemné kvantové otisky, které by masivní, neobjevené částice zanechaly na chování mionů.

Co by objev znamenal

Pokud Mu2e detekuje byť jen jedinou potvrzenou přeměnu mionu na elektron, bude to první přímý důkaz porušení vůně nabitých leptonů a jednoznačný signál fyziky za hranicemi Standardního modelu. Takový objev by mohl pomoci vysvětlit některé z nejhlubších záhad ve fyzice: proč hmota dominuje nad antihmotou ve vesmíru a co dává neutrinům jejich nepatrné hmotnosti.

I nulový výsledek by byl cenný, vyloučil by velké oblasti teoretického parametrického prostoru a zpřísnil omezení na modely od supersymetrie po těžké neutrální leptony.

S více než 240 vědci ze 40 institucí v šesti zemích a cenovkou 271 milionů dolarů představuje Mu2e jeden z nejambicióznějších experimentů precizní fyziky své generace. Jak se po více než deseti letech výstavby vyjádřil jeden z mluvčích projektu Stefano Miscetti: „Konečně vidíme, jak experiment nabývá tvaru.“ Fyzikální komunita to bedlivě sleduje – protože pokud Mu2e najde to, co hledá, částicová fyzika už nikdy nebude stejná.