Hogyan vadászik a Mu2e a Standard Modellt meghaladó fizikára

Egy tiltott átalakulás

Batavia, Illinois prérijei alatt, a Fermilabban egy 28 méter hosszú berendezés arra készül, hogy megfigyeljen valamit, aminek soha nem szabadna megtörténnie. A Mu2e kísérlet – a Muon-to-Electron Conversion Experiment rövidítése – kvadrillió számú müont fog vizsgálni, és arra vár, hogy egyetlenegy megszegje a fizika szabályait, ahogy mi ismerjük.

A szóban forgó szabály a töltött lepton ízmegmaradás, a részecskefizika Standard Modelljébe beépített elv. E keretrendszer szerint a müonok – az elektronok nehezebb unokatestvérei – könnyebb részecskékké bomolhatnak, de a folyamat során mindig neutrínókat kell létrehozniuk. Ha egy müon közvetlenül egy atommag közelében elektronná alakul át, anélkül, hogy egyáltalán neutrínók keletkeznének, az egyértelmű jele lenne annak, hogy ismeretlen erők vagy részecskék vannak jelen.

Miért fontosak a müonok?

A fizikusok már tudják, hogy a neutrínók megsértik az ízmegmaradást: utazás közben oszcillálnak a típusok között. De ugyanezt a viselkedést soha nem figyelték meg töltött leptonoknál – elektronoknál, müonoknál és tau részecskéknél. A Standard Modellt kiterjesztő számos elmélet, beleértve a szuperszimmetriát, a leptoquark modelleket és az extra dimenziós keretrendszereket, azt jósolja, hogy a töltött lepton ízmegsértésnek (CLFV) elő kell fordulnia, csak rendkívül alacsony arányban.

A müonok ideálisak ehhez a kereséshez. Nem bomlanak hadronokká, elég hosszú ideig (kb. 2,2 mikroszekundumig) élnek ahhoz, hogy befogják és tanulmányozzák őket, és hatalmas mennyiségben állíthatók elő. Ez a kombináció tiszta, nagy statisztikájú környezetet biztosít a kísérletezőknek – pontosan azt, amire szükség van egy olyan esemény észleléséhez, amely minden 100 kvadrillió müon kölcsönhatásból kevesebb, mint egyszer fordul elő.

Hogyan működik a kísérlet?

A Mu2e három szupravezető szolenoid mágnesből álló láncot használ, amelyek mindegyikének külön szerepe van:

• Termelő szolenoid: A Fermilab Booster gyorsítójából származó 8 GeV-es protonnyaláb egy ceruza méretű volfrám céltárgyba csapódik, és pionok záporát hozza létre, amelyek gyorsan müonokká bomlanak. A rendszer évente 200 és 500 kvadrillió müont termel.
• Szállító szolenoid: Ötven különálló szupravezető elektromágnes irányítja és szűri a müonnyalábot töltés és impulzus szerint, alacsony energiájú negatív müonokat irányítva a detektor felé, miközben a nem kívánt részecskéket eltávolítja.
• Detektor szolenoid: A müonok egy vékony alumínium megállító céltárgyba (kb. 0,2 mm vastag) ütköznek, és az alumíniummagok körüli pályára kerülnek. Ha egy müon közvetlenül elektronná alakul át, akkor ez az elektron pontosan 104,97 MeV energiával repül ki – ez egy egyedi jel, amely megkülönbözteti a szokásos bomlástermékektől.

Két műszer fogja fel a jelet. Egy szalmacsöves nyomkövető, amely 18 panelből áll, mindegyikben 96 szalmacsővel, rendkívüli pontossággal méri az elektron impulzusát. Lejjebb egy cézium-jodid kristályokból épített elektromágneses kaloriméter erősíti meg a részecske energiáját és időzítését. A berendezést körülvevő kozmikus sugárzás elleni védelmi rendszer kiszűri a világűrből származó háttérzajt.

10 000-szer érzékenyebb

A Mu2e-t úgy tervezték, hogy elérje az 5 × 10⁻¹⁷ érzékenységet – négy nagyságrenddel meghaladva az előző legjobb kísérletet, a SINDRUM II-t, amelyet a svájci Paul Scherrer Intézetben végeztek. Ezen a szinten a detektor akár 10 000 TeV-ig terjedő effektív energiamérlegeket is képes vizsgálni, ami messze meghaladja azt, amit bármely részecskeütköztető, beleértve a Large Hadron Collidert is, közvetlenül elérhet.

Ez a közvetett elérés az, ami a CLFV-kereséseket ilyen erőteljessé teszi. Ahelyett, hogy egyre nagyobb energiákkal zúznák össze a részecskéket, a Mu2e azokat a finom kvantum ujjlenyomatokat keresi, amelyeket a masszív, fel nem fedezett részecskék hagynának a müon viselkedésén.

Mit jelentene a felfedezés?

Ha a Mu2e akár egyetlen megerősített müon-elektron átalakulást is észlel, az a töltött lepton ízmegsértés első közvetlen bizonyítéka lenne, és a Standard Modellen túli fizika egyértelmű jele. Egy ilyen felfedezés segíthet megmagyarázni a fizika legmélyebb rejtélyeit: miért dominál az anyag az antianyag felett a világegyetemben, és mi adja a neutrínóknak apró tömegüket.

Még egy negatív eredmény is értékes lenne, kizárva az elméleti paramétertér nagy területeit, és szigorítva a szuperszimmetriától a nehéz semleges leptonokig terjedő modellek korlátait.

A több mint 240 tudóssal, 40 intézményből, hat országból, és 271 millió dolláros árcédulával a Mu2e a generációjának egyik legambiciózusabb precíziós fizikai kísérletét képviseli. Ahogy Stefano Miscetti, a társszóvivő fogalmazott több mint egy évtizednyi építkezés után: "Végre látjuk, hogy a kísérlet formát ölt." A fizikus közösség szorosan figyeli – mert ha a Mu2e megtalálja, amit keres, a részecskefizika soha többé nem lesz a régi.