Му2е

Логотип проекта Mu2e

Прототип модуля Транспортный соленоид Mu2e

Mu2e , или мюона в электрон Эксперимент по преобразованию , — это эксперимент по физике элементарных частиц в Фермилабе в США. ^[1] Цель эксперимента — выявление физики за пределами Стандартной модели , а именно превращения мюонов в электроны без испускания нейтрино , которое происходит в ряде теоретических моделей. ^[2]^[3] Бывший представитель проекта Джим Миллер сравнивает этот процесс с осцилляцией нейтрино , но для заряженных лептонов . ^[4] Скорость этого процесса в Стандартной модели физики элементарных частиц ненаблюдаемо мала, поэтому любое наблюдение этого процесса станет крупным открытием и укажет на новую физику, выходящую за рамки Стандартной модели. ^[2] Эксперимент будет в 10 000 раз более чувствителен, чем предыдущие эксперименты по конверсии мюонов, и его эффективная энергия будет достигать 10 000 ТэВ . ^[2]

Хронология

Предыдущая работа

Физики ищут нарушение вкуса с 1940-х годов. ^[2] Нарушение вкуса нейтрино было доказано в 1998 году в эксперименте Супер-Камиоканде в Японии. ^[5]

В 1989 году российские физики Владимир Лобашев и Рашид Джилкибаев предложили эксперимент по поиску нарушения лептонного аромата. Эксперимент под названием MELC проводился с 1992 по 1995 год на Московской мезонной фабрике Института ядерных исследований в России, а затем был закрыт из-за политического и экономического кризиса того времени. ^[6]

В 1997 году американский физик Уильям Молзон предложил аналогичный эксперимент в Брукхейвенской национальной лаборатории . Исследования и разработки эксперимента MECO начались в 2001 году, но финансирование было прекращено в 2005 году. ^[6]

Разработка

Mu2e основан на эксперименте MECO, предложенном в Брукхейвене, и более раннем эксперименте MELC в Российском институте ядерных исследований. ^[7] Исследования и разработки эксперимента Mu2e начались в 2009 году, а концептуальный проект был завершен в середине 2011 года. ^[3] В июле 2012 года Mu2e получил одобрение критического решения 1 (второй из пяти критических уровней решения) от Министерства энергетики , примерно через месяц после первоначальной проверки. ^[8] Менеджер проекта Рон Рэй заявил: «Я не знаю ни одного другого проекта, который бы получил одобрение так быстро после рассмотрения». ^[8] Финансирование эксперимента Mu2e было рекомендовано энергетики Министерства Группой по определению приоритетов проекта физики элементарных частиц в ее отчете за 2014 год. ^[9]

Строительство и эксплуатация

Закладка фундамента детекторного зала состоялась 18 апреля 2015 года. ^[10] Первоначально ввод в эксплуатацию предполагался в 2019 году, а предварительные результаты ожидались в 2020 году; ^[1] однако проект был значительно отложен, и в 2022 году эксперимент планировалось начать в 2026 году. ^[11] Поставка двух магнитов от General Atomics была отложена, что способствовало смещению даты начала. ^[12] Ожидается, что эксперимент продлится три года. ^[7]

Более поздние усовершенствования детектора могут повысить чувствительность эксперимента на один-два порядка, что позволит более глубоко изучить любую конверсию заряженных лептонов, которая может быть обнаружена в первоначальном эксперименте. ^[2]

По состоянию на февраль 2024 года строительство двух транспортных соленоидов Mu2E было завершено и перенесено из здания тяжелой сборки Фермилаба в зал детекторов, где будет завершена окончательная сборка.

Дизайн

Аппарат Mu2e будет иметь длину 92 фута (28 м) и будет состоять из трех секций. ^[10] Общая стоимость эксперимента составляет 271 миллион долларов. ^[13]

Производство мюонов

Перепрофилированные элементы коллайдера Тэватрон будут использоваться для генерации и доставки энергией 8 ГэВ пучка протонов с . Протоны будут извлечены из кольца доставки Фермилаба посредством нелинейного процесса резонансного извлечения третьего целого числа и отправлены импульсами к вольфрамовой мишени. Эти протоны затем столкнутся с вольфрамовой мишенью в производственном соленоиде, создавая каскад частиц, включая пионы , которые распадаются на мюоны. Mu2e выпустит от 200 ^[7] и 500 квадриллионов (2×10 ¹⁷ до 5×10 ¹⁷) мюонов в год. ^[6] На каждые 300 протонов, попавших в производственную цель, в транспортный соленоид попадет около одного мюона. ^[7]

Транспорт

напряженностью 4,5 Тесла Магнитное поле производственного соленоида направит некоторые из произведенных частиц в S-образный вакуумированный транспортный соленоид силой 2 Тесла, состоящий из 50 отдельных сверхпроводящих электромагнитов. ^[14] который будет отбирать мюоны по заряду и импульсу и после некоторой задержки доставлять в детектор нужные медленные мюоны. ^[3]

Обнаружение

Попадая в соленоид детектора, мюоны ударяются (и останавливаются внутри) на алюминиевую мишень толщиной около 0,2 мм. ^[6]^[13] выход на орбитали вокруг ядер внутри мишени. ^[3]^[10] Любые мюоны, которые преобразуются в электроны без испускания нейтрино, покинут эти орбитали и войдут в детектор с характеристической энергией 104,97 МэВ (которая равна массе мюона минус энергия связи около 0,5 МэВ и энергия ядерной отдачи около 0,2 МэВ). ^[6]^[15]

Сам детектор состоит из двух основных компонентов: строу-трекера для измерения импульса вылетающих частиц; и электромагнитный калориметр для определения взаимодействия частиц, которые необходимо записать для дальнейшего изучения, определения типа частиц, прошедших через трекер, и для подтверждения измерений трекера. ^[15] Электрон с энергией около 105 МэВ будет указывать на то, что электрон возник в результате безнейтринной мюонной конверсии. ^[16]

Чтобы как можно меньше нарушать путь электронов, трекер использует как можно меньше материала. Трекер с проволочной камерой состоит из панелей из толщиной 15 микрон металлизированного майлара , наполненных аргоном и углекислым газом . Это самые тонкие такие соломинки, когда-либо использовавшиеся в экспериментах по физике элементарных частиц. Электроника на каждом конце строу будет регистрировать сигнал, возникающий при взаимодействии электронов с газом в строу, что позволяет восстановить траекторию электронов. ^[16]

Чувствительность

Скорость безнейтринного преобразования мюонов в электроны ранее была ограничена экспериментом МЭГ менее чем 2,4×10 ⁻¹²и дополнительно ограничено размером 7×10 ⁻¹³ экспериментом SINDRUM II в Институте Пауля Шеррера в Швейцарии. ^[5] Mu2e имеет ожидаемую чувствительность 5×10. ⁻¹⁷Это на четыре порядка больше, чем у SINDRUM II, а это означает, что он увидит сигнал, если хотя бы один из 100 квадриллионов мюонов превратится в электрон. ^[5]^[6]

Сотрудничество

По состоянию на октябрь 2018 г. ^[update]В коллаборации Mu2e приняли участие 240 человек из 40 учреждений шести стран. ^[17] Сотрудничество возглавляют сопредседатели Боб Бернштейн (Fermilab) и Стефано Мискетти (INFN Frascati). Руководителем проекта Mu2e является Джули Уитмор; заместителями руководителя проекта являются Карен Байрум и Пол Дервент.

См. также

Кометный эксперимент

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б «Mu2e: эксперимент по преобразованию мюона в электрон» . Фермилаб. 21 апреля 2015 года . Проверено 30 апреля 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Цели исследования» . Фермилаб. 17 марта 2015 года . Проверено 1 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Глензински, Дуг (февраль 2011 г.). «Эксперимент Mu2e в Фермилабе» (PDF) . Пенсильванский университет . Проверено 1 мая 2015 г.
^ Пьергросси, Джозеф (10 января 2013 г.). «Мюонные эксперименты на Среднем Западе продолжают наследие Восточного побережья» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дориго, Томмазо (3 декабря 2012 г.). «Mu2E: исследование нарушения вкуса лептонов в Фермилабе» . Наука 2.0 . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Мастейн, Андреа (июнь 2010 г.). «Мюонные ребята: в поисках новой физики» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Как это работает?» . Фермилаб. 17 марта 2015 года . Проверено 30 апреля 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б Пьергросси, Джозеф (20 июля 2012 г.). «Министерство энергетики продвигает эксперимент Mu2e Фермилаба» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Джепсен, Кэтрин (22 мая 2014 г.). «Предлагаемый план будущего физики элементарных частиц в США: в отчете группы по определению приоритетов проекта физики элементарных частиц рекомендуется стратегический путь развития физики элементарных частиц в США» . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Квон, Диана (21 апреля 2015 г.). «Mu2e открывает новые возможности для экспериментов в поисках новой физики». Фермилаб сегодня .
^ Бернштейн, Максвелл (24 марта 2022 г.). «Соломинки, кристаллы и поиски новой субатомной физики» . Новости Фермилаб .
^ «Состояние проекта HEP, Майк Прокарио» (PDF) . Консультативная группа по физике высоких энергий, 1–2 ноября 2021 г. Повестка дня .
^ Jump up to: ^а ^б «Mu2e-doc-4299-v15: Отчет о техническом проекте Mu2e (TDR)» . mu2e-docdb.fnal.gov . Проверено 18 января 2017 г.
^ Саллес, Андре (16 декабря 2013 г.). «Mu2e привлекает экспертов по магнитам» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Mu2e-doc-8084-v1: Эксперимент Mu2e в Фермилабе» . mu2e-docdb.fnal.gov . Проверено 18 января 2017 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Как обнаружить распад редкой частицы с помощью детектора, сделанного из (почти) ничего» . Новости . 3 марта 2015 года . Проверено 4 мая 2015 г.
^ «Сотрудничество» . Фермилаб. 26 октября 2018 года . Проверено 7 декабря 2018 г.

Внешние ссылки

Эрлих, Ральф. «Эксперимент Mu2e» (PDF) . Институт ядерной физики Макса Планка.
Запись эксперимента Mu2e на INSPIRE-HEP

[fermilab-home-1] Jump up to: ^а ^б «Mu2e: эксперимент по преобразованию мюона в электрон» . Фермилаб. 21 апреля 2015 года . Проверено 30 апреля 2015 г.

[fermilab-research-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и «Цели исследования» . Фермилаб. 17 марта 2015 года . Проверено 1 мая 2015 г.

[glenzinski-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Глензински, Дуг (февраль 2011 г.). «Эксперимент Mu2e в Фермилабе» (PDF) . Пенсильванский университет . Проверено 1 мая 2015 г.

[piergrossi1-4] Пьергросси, Джозеф (10 января 2013 г.). «Мюонные эксперименты на Среднем Западе продолжают наследие Восточного побережья» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.

[dorigo-5] Jump up to: ^а ^б ^с Дориго, Томмазо (3 декабря 2012 г.). «Mu2E: исследование нарушения вкуса лептонов в Фермилабе» . Наука 2.0 . Проверено 4 мая 2015 г.

[mustain-6] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Мастейн, Андреа (июнь 2010 г.). «Мюонные ребята: в поисках новой физики» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.

[fermilab-how-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Как это работает?» . Фермилаб. 17 марта 2015 года . Проверено 30 апреля 2015 г.

[piergrossi2-8] Jump up to: ^а ^б Пьергросси, Джозеф (20 июля 2012 г.). «Министерство энергетики продвигает эксперимент Mu2e Фермилаба» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.

[jepsen-9] Джепсен, Кэтрин (22 мая 2014 г.). «Предлагаемый план будущего физики элементарных частиц в США: в отчете группы по определению приоритетов проекта физики элементарных частиц рекомендуется стратегический путь развития физики элементарных частиц в США» . Проверено 4 мая 2015 г.

[kwon-10] Jump up to: ^а ^б ^с Квон, Диана (21 апреля 2015 г.). «Mu2e открывает новые возможности для экспериментов в поисках новой физики». Фермилаб сегодня .

[ferminews-mu2e-2022-11] Бернштейн, Максвелл (24 марта 2022 г.). «Соломинки, кристаллы и поиски новой субатомной физики» . Новости Фермилаб .

[procarionov21-12] «Состояние проекта HEP, Майк Прокарио» (PDF) . Консультативная группа по физике высоких энергий, 1–2 ноября 2021 г. Повестка дня .

[:0-13] Jump up to: ^а ^б «Mu2e-doc-4299-v15: Отчет о техническом проекте Mu2e (TDR)» . mu2e-docdb.fnal.gov . Проверено 18 января 2017 г.

[salles-14] Саллес, Андре (16 декабря 2013 г.). «Mu2e привлекает экспертов по магнитам» . Журнал «Симметрия» . Проверено 4 мая 2015 г.

[:1-15] Jump up to: ^а ^б «Mu2e-doc-8084-v1: Эксперимент Mu2e в Фермилабе» . mu2e-docdb.fnal.gov . Проверено 18 января 2017 г.

[newswise-16] Jump up to: ^а ^б «Как обнаружить распад редкой частицы с помощью детектора, сделанного из (почти) ничего» . Новости . 3 марта 2015 года . Проверено 4 мая 2015 г.

[fermilab-collaboration-17] «Сотрудничество» . Фермилаб. 26 октября 2018 года . Проверено 7 декабря 2018 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]