Cómo Mu2e busca física más allá del Modelo Estándar

Una transformación prohibida

En las profundidades de las praderas de Batavia, Illinois, un aparato de 28 metros de largo en Fermilab se está preparando para observar algo que nunca debería suceder. El experimento Mu2e, abreviatura de Experimento de Conversión de Muón a Electrón, examinará cuatrillones de muones, esperando que solo uno rompa las reglas de la física tal como las conocemos.

La regla en cuestión es la conservación del sabor leptónico cargado, un principio integrado en el Modelo Estándar de la física de partículas. Según este marco, los muones, primos más pesados de los electrones, pueden desintegrarse en partículas más ligeras, pero siempre deben producir neutrinos en el proceso. Un muón que se convierta directamente en un electrón cerca de un núcleo atómico, sin ningún neutrino, sería una señal inequívoca de que fuerzas o partículas desconocidas están en acción.

Por qué los muones importan

Los físicos ya saben que los neutrinos violan la conservación del sabor: oscilan entre tipos a medida que viajan. Pero el mismo comportamiento nunca se ha observado en los leptones cargados: electrones, muones y partículas tau. Muchas teorías que extienden el Modelo Estándar, incluyendo la supersimetría, los modelos de leptoquarks y los marcos extra-dimensionales, predicen que la violación del sabor leptónico cargado (CLFV) debería ocurrir, aunque a tasas extraordinariamente bajas.

Los muones son ideales para esta búsqueda. No se desintegran en hadrones, viven lo suficiente (alrededor de 2,2 microsegundos) para ser capturados y estudiados, y pueden producirse en enormes cantidades. Esa combinación proporciona a los experimentadores un entorno limpio y con alta estadística, exactamente lo que se necesita para detectar un evento que puede ocurrir menos de una vez en cada 100 cuatrillones de interacciones de muones.

Cómo funciona el experimento

Mu2e utiliza una cadena de tres imanes superconductores solenoides, cada uno con un papel distinto:

• Solenoide de Producción: Un haz de protones de 8 GeV del acelerador Booster de Fermilab golpea un objetivo de tungsteno del tamaño de un lápiz, produciendo una lluvia de piones que se desintegran rápidamente en muones. El sistema genera entre 200 y 500 cuatrillones de muones por año.
• Solenoide de Transporte: Cincuenta electroimanes superconductores separados guían y filtran el haz de muones por carga e impulso, dirigiendo los muones negativos de baja energía hacia el detector mientras descartan las partículas no deseadas.
• Solenoide Detector: Los muones golpean un delgado objetivo de parada de aluminio (de aproximadamente 0,2 mm de espesor) y son capturados en órbita alrededor de los núcleos de aluminio. Si un muón se convierte directamente en un electrón, ese electrón sale volando con una energía reveladora de exactamente 104,97 MeV, una firma única que lo separa de los productos de desintegración ordinarios.

Dos instrumentos captan la señal. Un rastreador de tubos de paja hecho de 18 paneles con 96 tubos de paja cada uno mide el momento del electrón con extrema precisión. Aguas abajo, un calorímetro electromagnético construido con cristales de yoduro de cesio confirma la energía y el tiempo de la partícula. Un sistema de veto de rayos cósmicos que rodea el aparato filtra el ruido de fondo del espacio.

10.000 veces más sensible

Mu2e está diseñado para alcanzar una sensibilidad de 5 × 10⁻¹⁷, cuatro órdenes de magnitud más allá del mejor experimento anterior, SINDRUM II, que se ejecutó en el Instituto Paul Scherrer en Suiza. A este nivel, el detector puede sondear escalas de energía efectivas de hasta 10.000 TeV, mucho más allá de lo que cualquier colisionador de partículas, incluido el Gran Colisionador de Hadrones, puede alcanzar directamente.

Este alcance indirecto es lo que hace que las búsquedas de CLFV sean tan poderosas. En lugar de aplastar partículas a energías cada vez mayores, Mu2e busca las sutiles huellas cuánticas que las partículas masivas no descubiertas dejarían en el comportamiento de los muones.

Lo que significaría el descubrimiento

Si Mu2e detecta incluso una sola conversión confirmada de muón a electrón, sería la primera evidencia directa de violación del sabor leptónico cargado y una señal inequívoca de física más allá del Modelo Estándar. Tal descubrimiento podría ayudar a explicar algunos de los enigmas más profundos de la física: por qué la materia domina sobre la antimateria en el universo y qué les da a los neutrinos sus diminutas masas.

Incluso un resultado nulo sería valioso, descartando grandes extensiones del espacio de parámetros teóricos y ajustando las restricciones sobre los modelos desde la supersimetría hasta los leptones neutros pesados.

Con más de 240 científicos de 40 instituciones en seis países, y un precio de 271 millones de dólares, Mu2e representa uno de los experimentos de física de precisión más ambiciosos de su generación. Como dijo el co-portavoz Stefano Miscetti después de más de una década de construcción: "Finalmente vemos que el experimento toma forma." La comunidad física está observando de cerca, porque si Mu2e encuentra lo que está buscando, la física de partículas nunca volverá a ser la misma.