La construcción del experimento Mu2e en el Fermilab del Departamento de Energía ha alcanzado un hito importante. Una sección crucial de imanes para el experimento, incluidos componentes de Italia, Japón y Estados Unidos, ha pasado las rigurosas pruebas necesarias para garantizar que cada imán individual cumple con el rendimiento requerido para el experimento.

Esos imanes, parte de una sección llamada solenoide de transporte, se unirán para formar una parte novedosa del proyecto Mu2e. El proyecto Mu2e ha alcanzado el 80% de finalización en general, según el director de proyecto de Mu2e, Ron Ray.

Cuando está operativo, el experimento Mu2e llegará a 10, 000 veces la sensibilidad de experimentos anteriores que buscaban la conversión directa de un muón en un electrón para probar una de las simetrías fundamentales en la física de partículas.

¿Por qué muones?

Los muones pueden ser la clave para desentrañar un misterio confuso en la física de partículas. El misterio proviene del modelo estándar, o, con más precisión, los agujeros dentro del modelo estándar.

En la segunda mitad del siglo XX, Los científicos desarrollaron lo que se conoce como el modelo estándar de física. El modelo relaciona tres de las cuatro fuerzas fundamentales:la electromagnética, la fuerza débil y la fuerte, entre sí. También clasifica todas las partículas elementales conocidas.

Pero desde el principio el modelo estándar ha dejado ciertos fenómenos sin explicar. No incluye la cuarta fuerza del universo, gravedad, tampoco aborda la expansión acelerada del universo debido a la energía oscura o la existencia de materia oscura.

Entonces, ¿dónde entran los muones?

En el modelo estándar, el muón, junto con el electrón y la tau, pertenecen a una familia de partículas llamadas leptones. Cada leptón tiene una partícula asociada llamada neutrino:el neutrino muón, neutrino electrónico y neutrino tau. A diferencia de sus socios, los neutrinos carecen de carga eléctrica. Los científicos han observado que los neutrinos se transforman entre sus tres tipos, y tienen motivos para creer que los leptones cargados podrían hacer lo mismo. Todo lo que necesitan es el tipo de experimento adecuado para averiguarlo.

El tipo de experimento correcto

Ahí es donde entra en juego Mu2e.

El experimento tiene aproximadamente un tercio de la longitud de un campo de fútbol y tendrá 10, 000 veces más precisa cuando se trata de buscar esta conversión de muón a electrón que una similar, experimento anterior llamado SINDRUM II. Una de las diferencias clave con los experimentos anteriores es el sistema de Mu2e de tres sistemas de imanes superconductores:el solenoide de producción, el solenoide de transporte y el solenoide detector.

El solenoide de producción es donde se crean los muones. Un rayo de protones golpea un objetivo, y la interacción eventualmente produce muones. Con la ayuda de imanes, estos muones luego descienden en espiral por el solenoide de transporte en forma de S.

El solenoide de transporte, una parte fundamental de la configuración experimental, se divide en dos mitades. Los muones viajan por la primera mitad del corredor sinuoso, donde están separados por carga. En el punto medio del solenoide, encuentran un dispositivo especial que permite que solo muones cargados negativamente pasen a la segunda sección curva. Los muones negativos luego salen del solenoide de transporte y entran en el siguiente imán grande, el solenoide del detector. Allí, se detienen en un segundo objetivo.

Es en este punto cuando ocurre la magia, la magia de la mecánica cuántica.

Cuando un muón negativo golpea un objetivo, solo una de dos cosas puede suceder de acuerdo con el modelo estándar:o el muón es capturado por el núcleo, cambiar un protón en un neutrón y dejar un neutrino, o el muón decae, emitiendo un electrón y dos neutrinos.

Pero Mu2e busca una tercera opción:la transformación de un muón en solo un electrón, sin la compañía de los habituales neutrinos asociados. La observación de este proceso rompería el Modelo Estándar de par en par, demostrando que un leptón cargado puede convertirse directamente en otro, un proceso teorizado que nadie ha presenciado jamás.

"Lo que hacemos en Fermilab es pura investigación, y estamos tratando de enriquecer la experiencia humana ayudando a las personas a comprender el universo y el mundo en el que vivimos, ", Dijo Ray." Y, en última instancia, de lo que se trata es de intentar completar la imagen del Modelo Estándar rellenando algunos huecos que sabemos que existen ".

Construcción del solenoide de transporte

Hacer que todo eso suceda es aún más difícil de lo que parece, y el solenoide de transporte es una parte importante del diseño del experimento, lo que le permite ser lo suficientemente sensible para observar este raro fenómeno, si existiera. El solenoide de transporte se propuso por primera vez hace décadas para abordar las limitaciones de los experimentos anteriores de conversión de muón a electrón. Fermilab es el primero en hacer realidad esta novedosa idea.

Pero primero todas las partes deben unirse.

Recientemente, Mu2e recibió y probó las siete unidades superconductoras que forman la primera porción del solenoide de transporte. Pruebas rigurosas de las unidades individuales, que fueron fabricados en la industria, asegura que cumplan con el rendimiento requerido para el experimento.

"Para este proyecto, colaboramos con industrias repartidas por todo el mundo, "dijo Vito Lombardo, Gestor mu2e para los solenoides de transporte. "Los cables superconductores, los componentes básicos de estos imanes, vino de japón, las unidades superconductoras que forman los imanes en forma de S se fabrican en Italia y se prueban en Fermilab, mientras que los criostatos y los escudos térmicos, los dispositivos que ayudan a mantener fríos los imanes, vienen de los Estados Unidos ".

Fermilab está coordinando esta asociación global.

Si la planificación necesaria para el experimento no fuera lo suficientemente complicada, la forma en S del solenoide lo hace aún más:cada unidad de imán es única. Esto significa que los imanes no solo deben ensamblarse en un orden específico, sino que el experimento no puede depender de repuestos.

"Tienen una forma muy divertida, "explicó Karie Badgley, uno de los científicos que trabaja en Mu2e. "No puede simplemente pedirlos como lo haría con otros imanes, especialmente con las estrictas tolerancias que requerimos ".

Las pruebas rigurosas que Fermilab somete a cada uno de estos imanes lleva unos cuatro meses.

"Ha sido muy grande, pasos importantes, "Dijo Badgley." Por eso es tan emocionante que esta primera mitad esté casi terminada. Finalmente podemos comenzar a armarlo y ver cómo se junta todo el aspecto magnético de la sección aguas arriba ".

Con los siete imanes que componen la primera mitad del solenoide de transporte aceptado, el equipo ya está armando la sección. Mientras tanto, Comienza la prueba de los imanes para la segunda sección.

Se espera que la construcción de Mu2e termine en 2023, y el experimento estará listo para comenzar a tomar datos físicos poco después.