Jak Mu2e poluje na fizykę wykraczającą poza Model Standardowy

Zakazana transformacja

Głęboko pod prerią w Batavii w stanie Illinois, w Fermilabie, 28-metrowa aparatura przygotowuje się do obserwacji czegoś, co nigdy nie powinno się zdarzyć. Eksperyment Mu2e – skrót od Muon-to-Electron Conversion Experiment (Eksperyment Przemiany Mionu w Elektron) – będzie badał kwadryliony mionów, czekając, aż choć jeden z nich złamie zasady fizyki, jakie znamy.

Rzeczoną zasadą jest zachowanie smaku leptonowego naładowanego, zasada wbudowana w Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Zgodnie z tym modelem, miony – cięższe kuzyni elektronów – mogą rozpadać się na lżejsze cząstki, ale zawsze muszą wytwarzać w tym procesie neutrina. Przemiana mionu bezpośrednio w elektron w pobliżu jądra atomowego, bez żadnych neutrin, byłaby jednoznacznym sygnałem, że działają nieznane siły lub cząstki.

Dlaczego miony mają znaczenie

Fizycy wiedzą już, że neutrina naruszają zachowanie smaku: oscylują między różnymi typami podczas podróży. Ale tego samego zachowania nigdy nie zaobserwowano w przypadku leptonów naładowanych – elektronów, mionów i cząstek tau. Wiele teorii, które rozszerzają Model Standardowy, w tym supersymetria, modele leptoquarków i ramy ekstradymensjonalne, przewidują, że naruszenie smaku leptonowego naładowanego (CLFV) powinno wystąpić, tylko przy niezwykle niskich wskaźnikach.

Miony są idealne do tych poszukiwań. Nie rozpadają się na hadrony, żyją wystarczająco długo (około 2,2 mikrosekundy), aby można je było schwytać i zbadać, i można je wytwarzać w ogromnych ilościach. To połączenie daje eksperymentatorom czyste środowisko o wysokiej statystyce – dokładnie to, co jest potrzebne do wykrycia zdarzenia, które może wystąpić rzadziej niż raz na każde 100 kwadrylionów interakcji mionów.

Jak działa eksperyment

Mu2e wykorzystuje łańcuch trzech nadprzewodzących magnesów solenoidowych, z których każdy ma odrębną rolę:

• Solenoid Produkcyjny: Wiązka protonów o energii 8 GeV z akceleratora Booster w Fermilabie uderza w wolframowy cel o rozmiarze ołówka, wytwarzając kaskadę pionów, które szybko rozpadają się na miony. System generuje od 200 do 500 kwadrylionów mionów rocznie.
• Solenoid Transportowy: Pięćdziesiąt oddzielnych nadprzewodzących elektromagnesów kieruje i filtruje wiązkę mionów według ładunku i pędu, kierując niskoenergetyczne ujemne miony w stronę detektora, odrzucając jednocześnie niepożądane cząstki.
• Solenoid Detektorowy: Miony uderzają w cienki aluminiowy cel zatrzymujący (o grubości około 0,2 mm) i są wychwytywane na orbitę wokół jąder aluminium. Jeśli mion przekształci się bezpośrednio w elektron, elektron ten wylatuje z charakterystyczną energią dokładnie 104,97 MeV – unikalny sygnał, który odróżnia go od zwykłych produktów rozpadu.

Dwa instrumenty wychwytują sygnał. Tracker ze słomkowych rurek, zbudowany z 18 paneli z 96 słomkowymi rurkami każdy, mierzy pęd elektronu z ekstremalną precyzją. W dalszej części, kalorymetr elektromagnetyczny zbudowany z kryształów jodku cezu potwierdza energię i czas cząstki. System weta promieniowania kosmicznego otaczający aparaturę odfiltrowuje szumy tła z kosmosu.

10 000 razy bardziej czuły

Mu2e został zaprojektowany, aby osiągnąć czułość 5 × 10⁻¹⁷ – cztery rzędy wielkości powyżej poprzedniego najlepszego eksperymentu, SINDRUM II, który działał w Paul Scherrer Institute w Szwajcarii. Na tym poziomie detektor może badać efektywne skale energii do 10 000 TeV, znacznie powyżej tego, co może osiągnąć bezpośrednio jakikolwiek zderzacz cząstek, w tym Wielki Zderzacz Hadronów.

Ten pośredni zasięg sprawia, że poszukiwania CLFV są tak potężne. Zamiast rozbijać cząstki przy coraz wyższych energiach, Mu2e szuka subtelnych kwantowych odcisków palców, które masywne, nieodkryte cząstki pozostawiłyby na zachowaniu mionów.

Co oznaczałoby odkrycie

Jeśli Mu2e wykryje choćby jedną potwierdzoną przemianę mionu w elektron, byłby to pierwszy bezpośredni dowód naruszenia smaku leptonowego naładowanego i jednoznaczny znak fizyki wykraczającej poza Model Standardowy. Takie odkrycie mogłoby pomóc wyjaśnić niektóre z najgłębszych zagadek w fizyce: dlaczego materia dominuje nad antymaterią we wszechświecie i co nadaje neutrinom ich maleńkie masy.

Nawet negatywny wynik byłby cenny, wykluczając duże obszary teoretycznej przestrzeni parametrów i zaostrzając ograniczenia dotyczące modeli, od supersymetrii po ciężkie neutralne leptony.

Z ponad 240 naukowcami z 40 instytucji w sześciu krajach i ceną 271 milionów dolarów, Mu2e jest jednym z najbardziej ambitnych eksperymentów fizyki precyzyjnej swojego pokolenia. Jak powiedział współrzecznik Stefano Miscetti po ponad dekadzie budowy: „W końcu widzimy, jak eksperyment nabiera kształtu”. Społeczność fizyków obserwuje uważnie – ponieważ jeśli Mu2e znajdzie to, czego szuka, fizyka cząstek elementarnych nigdy nie będzie taka sama.