Et skridt tættere på:Muon-til-elektron-konverteringsprogrammet når milepæl i konstruktionen af ​​et nyt eksperiment

Konstruktionen af ​​Mu2e -eksperimentet ved Department of Energy's Fermilab har nået en vigtig milepæl. En afgørende sektion af magneter til eksperimentet, herunder komponenter fra Italien, Japan og USA, har bestået den strenge test, der er nødvendig for at sikre, at hver enkelt magnet opfylder den ydelse, der kræves til eksperimentet.

De magneter, del af en sektion kaldet transportmagneten, vil blive slået sammen til en ny del af Mu2e -projektet. Mu2e -projektet har samlet nået 80%, ifølge Mu2e -projektleder Ron Ray.

Når den er i drift, Mu2e -eksperimentet når 10, 000 gange følsomheden ved tidligere forsøg på udkig efter den direkte konvertering af en muon til en elektron for at teste en af ​​de grundlæggende symmetrier i partikelfysik.

Hvorfor muoner?

Muons kan være nøglen til at opklare et forvirrende mysterium i partikelfysik. Mysteriet stammer fra standardmodellen, eller, mere præcist, hullerne i standardmodellen.

I sidste halvdel af det 20. århundrede, forskere udviklede det, der er blevet kendt som standardmodellen for fysik. Modellen omhandler tre af de fire grundlæggende kræfter - de elektromagnetiske, den svage og den stærke kraft - til hinanden. Det klassificerer også alle kendte elementarpartikler.

Men fra begyndelsen, Standardmodellen har efterladt visse fænomener uforklarlige. Det inkluderer ikke universets fjerde kraft, tyngdekraft, den adresserer heller ikke universets accelererende ekspansion på grund af mørk energi eller eksistensen af ​​mørkt stof.

Så hvor kommer muoner ind?

I standardmodellen, muonen, sammen med elektronen og tau, er i en familie af partikler kaldet leptoner. Hver lepton har en partnerpartikel kaldet en neutrino:muonneutrino, elektronneutrino og tauneutrino. I modsætning til deres partnere, neutrinoer mangler elektrisk ladning. Forskere har observeret neutrinoer morphing mellem deres tre typer, og de har grund til at tro, at de ladede leptoner måske gør det samme. Alt, hvad de har brug for, er den rigtige slags eksperimenter for at finde ud af det.

Den rigtige slags eksperiment

Det er her Mu2e kommer ind.

Forsøget er cirka en tredjedel af længden af ​​en fodboldbane og vil være 10, 000 gange mere præcis, når det kommer til at lede efter denne muon-til-elektron-konvertering end en lignende, tidligere forsøg kaldet SINDRUM II. En af de vigtigste forskelle fra tidligere eksperimenter er Mu2e's system med tre superledende magnetsystemer:produktionsmagneten, transportmagneten og detektorsolenoiden.

Produktionssolenoiden er hvor muonerne skabes. En stråle af protoner rammer et mål, og interaktionen producerer til sidst muoner. Ved hjælp af magneter, disse muoner spiraler derefter ned ad den S-formede transportmagnet.

Transportmagneten, en kritisk del af den eksperimentelle opsætning, er opdelt i to halvdele. Muons rejser ned ad den første halvdel af den kurvede korridor, hvor de adskilles med afgift. Ved magnetventilens midtvejspunkt, de støder på en særlig enhed, der kun tillader negativt ladede muoner at passere igennem til den anden buede sektion. De negative muoner forlader derefter transportmagneten og indtaster den næste store magnet, detektorens solenoid. Der, de stopper i et andet mål.

Det er på dette tidspunkt, at magien sker - kvantemekanikkens magi.

Når en negativ muon rammer et mål, kun en af ​​to ting kan ske i henhold til standardmodellen:Enten fanges muonen af ​​kernen, ændre en proton til en neutron og efterlade en neutrino, eller muonen henfalder, udsender en elektron og to neutrinoer.

Men Mu2e leder efter en tredje mulighed:Omdannelsen af ​​en muon til kun en elektron, uledsaget af de sædvanlige neutrino -partnere. Observationen af ​​denne proces ville bryde standardmodellen på vid gab, demonstrere, at en ladet lepton kan konvertere direkte til en anden - en teoretiseret proces, ingen nogensinde har været vidne til.

"Det, vi gør på Fermilab, er ren forskning, og vi forsøger at berige den menneskelige oplevelse ved at hjælpe mennesker med at forstå universet og den verden, vi lever i, "Sagde Ray." Og i sidste ende, hvad det her handler om, er at forsøge at fuldende billedet af standardmodellen ved at udfylde nogle huller, som vi ved eksisterer. "

Konstruktion af transportmagneten

At få det hele til at ske er endnu vanskeligere end det lyder, og transportmagneten er en vigtig del af forsøgets design, gør det muligt at være følsom nok til at observere dette sjældne fænomen, hvis den findes. Transportmagneten blev først foreslået for årtier siden for at imødegå begrænsningerne ved tidligere muon-til-elektron-konverteringsforsøg. Fermilab er den første til fuldt ud at bringe denne nye idé til virkelighed.

Men først skal alle delene samles.

For nylig, Mu2e modtog og testede de syv superledende enheder, der udgør den første del af transportmagneten. Omhyggelig testning af de enkelte enheder, som blev fremstillet i industrien, sikrer, at de opfylder den ydelse, der kræves til eksperimentet.

"Til dette projekt, vi samarbejder med industrier spredt over hele verden, "sagde Vito Lombardo, Mu2e -manager for transportmagneterne. "De superledende kabler, byggestenene til disse magneter, kom fra Japan, de superledende enheder, der danner de S-formede magneter, fremstilles i Italien og testes på Fermilab, mens kryostaterne og termiske skjolde, de enheder, der hjælper med at holde magneterne kolde, kommer fra USA. "

Fermilab koordinerer dette globale partnerskab.

Hvis den planlægning, der kræves til forsøget, ikke var kompliceret nok, S-formen på solenoiden gør det mere:Hver magnetenhed er unik. Det betyder, at magneterne ikke kun skal samles i en bestemt rækkefølge, men at eksperimentet ikke kan stole på reservedele.

"De er en meget sjov form, "forklarede Karie Badgley, en af ​​forskerne, der arbejder på Mu2e. "Du kan ikke bare bestille dem som med andre magneter, især med de stramme tolerancer, vi kræver. "

Den strenge test, som Fermilab sætter hver af disse magneter igennem, tager cirka fire måneder.

"Det har været meget stort, vigtige trin, "Sagde Badgley." Derfor er det så spændende, at denne første halvleg næsten er færdig. Vi kan endelig begynde at sammensætte det og se hele magnetaspektet i opstrømsafsnittet komme sammen. "

Da de syv magneter udgør den første halvdel af transportmagneten accepteret, holdet er allerede ved at sammensætte afsnittet. I mellemtiden, test på magneterne til det andet afsnit starter.

Byggeriet af Mu2e forventes at stå færdigt i 2023, og eksperimentet vil være klar til at begynde at tage fysikdata kort tid efter.