Ako experiment Mu2e pátra po fyzike za hranicami Štandardného modelu

Zakázaná transformácia

Hlboko pod prériami Batavie v štáte Illinois sa vo Fermilabe pripravuje 28-metrové zariadenie na pozorovanie niečoho, čo by sa nikdy nemalo stať. Experiment Mu2e – skratka pre Muon-to-Electron Conversion Experiment (Experiment premeny miónu na elektrón) – bude skúmať kvadrilióny miónov a čakať, či aspoň jeden z nich poruší pravidlá fyziky, ako ich poznáme.

Ide o pravidlo zachovania príchute nabitých leptónov, princíp zakotvený v Štandardnom modeli časticovej fyziky. Podľa tohto rámca sa mióny – ťažší bratranci elektrónov – môžu rozpadať na ľahšie častice, ale vždy musia pri tom produkovať neutrína. Priama premena miónu na elektrón v blízkosti atómového jadra, bez akýchkoľvek neutrín, by bola nezameniteľným signálom, že pôsobia neznáme sily alebo častice.

Prečo na miónoch záleží

Fyzici už vedia, že neutrína porušujú zachovanie príchute: počas svojho pohybu oscilujú medzi rôznymi typmi. Rovnaké správanie však nikdy nebolo pozorované u nabitých leptónov – elektrónov, miónov a tau častíc. Mnohé teórie, ktoré rozširujú Štandardný model, vrátane supersymetrie, modelov leptoquarkov a extra-dimenzionálnych rámcov, predpovedajú, že k porušeniu príchute nabitých leptónov (CLFV) by malo dochádzať, len s mimoriadne nízkou frekvenciou.

Mióny sú pre toto hľadanie ideálne. Nerozpadajú sa na hadróny, žijú dostatočne dlho (približne 2,2 mikrosekundy), aby sa dali zachytiť a študovať, a dajú sa produkovať v obrovských množstvách. Táto kombinácia poskytuje experimentátorom čisté prostredie s vysokou štatistikou – presne to, čo je potrebné na to, aby si všimli udalosť, ktorá sa môže vyskytnúť menej ako raz na každých 100 kvadriliónov interakcií miónov.

Ako experiment funguje

Mu2e používa reťaz troch supravodivých solenoidových magnetov, z ktorých každý má odlišnú úlohu:

• Produkčný solenoid: Zväzok protónov s energiou 8 GeV z urýchľovača Booster vo Fermilabe naráža do volfrámového terča s veľkosťou ceruzky, čím vzniká sprcha piónov, ktoré sa rýchlo rozpadajú na mióny. Systém vyprodukuje ročne medzi 200 a 500 kvadriliónmi miónov.
• Transportný solenoid: Päťdesiat samostatných supravodivých elektromagnetov vedie a filtruje miónový zväzok podľa náboja a hybnosti, pričom nízkoenergetické negatívne mióny smeruje k detektoru a nežiaduce častice odstraňuje.
• Detektorový solenoid: Mióny narážajú na tenký hliníkový terč (hrubý približne 0,2 mm) a sú zachytené na obežnú dráhu okolo hliníkových jadier. Ak sa mión premení priamo na elektrón, tento elektrón vyletí s charakteristickou energiou presne 104,97 MeV – čo je jedinečný signál, ktorý ho odlišuje od bežných produktov rozpadu.

Signál zachytávajú dva prístroje. Slamkový trubicový tracker vyrobený z 18 panelov s 96 slamkovými trubicami v každom paneli meria hybnosť elektrónu s extrémnou presnosťou. Následne elektromagnetický kalorimeter postavený z kryštálov jodidu cézneho potvrdzuje energiu a časovanie častice. Systém na potlačenie kozmického žiarenia obklopujúci zariadenie odfiltruje šum pozadia z vesmíru.

10 000-krát citlivejší

Mu2e je navrhnutý tak, aby dosiahol citlivosť 5 × 10⁻¹⁷ – o štyri rády vyššiu ako predchádzajúci najlepší experiment, SINDRUM II, ktorý prebiehal v Paul Scherrer Institute vo Švajčiarsku. Na tejto úrovni môže detektor skúmať efektívne energetické škály až do 10 000 TeV, čo je ďaleko za hranicami toho, čo môže priamo dosiahnuť akýkoľvek urýchľovač častíc, vrátane Veľkého hadrónového urýchľovača.

Tento nepriamy dosah robí hľadanie CLFV takým silným. Namiesto rozbíjania častíc pri vyšších a vyšších energiách hľadá Mu2e jemné kvantové odtlačky, ktoré by masívne, neobjavené častice zanechali na správaní miónov.

Čo by znamenal objav

Ak Mu2e detekuje čo i len jedinú potvrdenú premenu miónu na elektrón, bude to prvý priamy dôkaz porušenia príchute nabitých leptónov a jednoznačný znak fyziky za hranicami Štandardného modelu. Takýto objav by mohol pomôcť vysvetliť niektoré z najhlbších záhad vo fyzike: prečo hmota dominuje nad antihmotou vo vesmíre a čo dáva neutrínam ich nepatrné hmotnosti.

Aj negatívny výsledok by bol cenný, pretože by vylúčil rozsiahle oblasti teoretického parametrického priestoru a sprísnil obmedzenia na modely od supersymetrie až po ťažké neutrálne leptóny.

S viac ako 240 vedcami zo 40 inštitúcií v šiestich krajinách a cenovkou 271 miliónov dolárov predstavuje Mu2e jeden z najambicióznejších experimentov presnej fyziky svojej generácie. Ako sa spoluhovorca Stefano Miscetti vyjadril po viac ako desaťročí výstavby: "Konečne vidíme, ako experiment naberá tvar." Fyzikálna komunita pozorne sleduje – pretože ak Mu2e nájde to, čo hľadá, časticová fyzika už nikdy nebude rovnaká.