De bouw van het Mu2e-experiment bij het Fermilab van het Department of Energy heeft een belangrijke mijlpaal bereikt. Een cruciaal onderdeel van magneten voor het experiment, inclusief onderdelen uit Italië, Japan en de Verenigde Staten, heeft de strenge tests doorstaan ​​die nodig zijn om ervoor te zorgen dat elke afzonderlijke magneet voldoet aan de prestaties die voor het experiment vereist zijn.

Die magneten, deel van een sectie die de transportsolenoïde wordt genoemd, worden samengevoegd tot een nieuw onderdeel van het Mu2e-project. Het Mu2e-project is in totaal voor 80% voltooid, volgens Mu2e-projectmanager Ron Ray.

Wanneer operationeel, het Mu2e-experiment zal 10 bereiken, 000 keer de gevoeligheid van eerdere experimenten op zoek naar de directe omzetting van een muon in een elektron om een ​​van de fundamentele symmetrieën in de deeltjesfysica te testen.

Waarom muonen?

Muonen kunnen de sleutel zijn tot het ontrafelen van een verwarrend mysterie in de deeltjesfysica. Het mysterie komt voort uit het standaardmodel, of, nauwkeuriger, de gaten in het standaardmodel.

In de tweede helft van de 20e eeuw, wetenschappers ontwikkelden wat bekend is geworden als het standaardmodel van de natuurkunde. Het model relateert drie van de vier fundamentele krachten:de elektromagnetische, de zwakke en de sterke kracht - voor elkaar. Het classificeert ook alle bekende elementaire deeltjes.

Maar vanaf het begin, het standaardmodel heeft bepaalde verschijnselen onverklaard gelaten. Het omvat niet de vierde kracht van het universum, zwaartekracht, evenmin gaat het in op de versnellende uitdijing van het heelal als gevolg van donkere energie of het bestaan ​​van donkere materie.

Dus waar komen muonen binnen?

In het standaardmodel, de muon, samen met het elektron en tau, bevinden zich in een familie van deeltjes die leptonen worden genoemd. Elk lepton heeft een partnerdeeltje dat een neutrino wordt genoemd:het muon-neutrino, elektronenneutrino en tau-neutrino. In tegenstelling tot hun partners, neutrino's hebben geen elektrische lading. Wetenschappers hebben waargenomen neutrino's morphing tussen hun drie typen, en ze hebben reden om te geloven dat de geladen leptonen hetzelfde zouden kunnen doen. Het enige dat ze nodig hebben, is het juiste soort experiment om erachter te komen.

Het juiste soort experiment

Dat is waar Mu2e binnenkomt.

Het experiment is ongeveer een derde van de lengte van een voetbalveld en zal 10, 000 keer nauwkeuriger als het gaat om het zoeken naar deze muon-naar-elektron-conversie dan een vergelijkbare, vorig experiment genaamd SINDRUM II. Een van de belangrijkste verschillen met eerdere experimenten is Mu2e's systeem van drie supergeleidende magneetsystemen:de productiesolenoïde, de transportsolenoïde en de detectorsolenoïde.

De productie-solenoïde is waar de muonen worden gemaakt. Een bundel protonen raakt een doel, en de interactie produceert uiteindelijk muonen. Met behulp van magneten, deze muonen spiraliseren vervolgens door de S-vormige transportsolenoïde.

De transportsolenoïde, een cruciaal onderdeel van de experimentele opstelling, is verdeeld in twee helften. Muonen reizen door de eerste helft van de bochtige gang, waar ze worden gescheiden door lading. Halverwege de solenoïde, ze komen een speciaal apparaat tegen dat alleen negatief geladen muonen doorlaat naar de tweede gebogen sectie. De negatieve muonen verlaten dan de transportsolenoïde en gaan de volgende grote magneet binnen, de detectorsolenoïde. Daar, ze stoppen in een tweede doel.

Op dit punt vindt de magie plaats - de magie van de kwantummechanica.

Wanneer een negatief muon een doel raakt, volgens het standaardmodel kan er maar één van de twee dingen gebeuren:ofwel wordt het muon door de kern gevangen, een proton in een neutron veranderen en een neutrino achterlaten, of het muon vervalt, het uitzenden van een elektron en twee neutrino's.

Maar Mu2e zoekt een derde optie:de transformatie van een muon in alleen een elektron, zonder begeleiding van de gebruikelijke neutrino-partners. De observatie van dit proces zou het standaardmodel wijd openbreken, wat aantoont dat het ene geladen lepton direct in het andere kan worden omgezet - een theoretisch proces dat niemand ooit heeft meegemaakt.

"Wat we bij Fermilab doen is puur onderzoek, en we proberen de menselijke ervaring te verrijken door mensen te helpen het universum en de wereld waarin we leven te begrijpen, "Zei Ray. "En waar het uiteindelijk om gaat, is proberen het plaatje van het Standaardmodel compleet te maken door enkele gaten op te vullen waarvan we weten dat ze bestaan."

Constructie van de transportsolenoïde

Om dat allemaal voor elkaar te krijgen is nog moeilijker dan het klinkt, en de transportsolenoïde is een belangrijk onderdeel van het ontwerp van het experiment, waardoor het gevoelig genoeg is om dit zeldzame fenomeen waar te nemen, als het bestaat. De transportsolenoïde werd decennia geleden voor het eerst voorgesteld om de beperkingen van eerdere muon-naar-elektron-conversie-experimenten aan te pakken. Fermilab is de eerste die dit nieuwe idee volledig tot wasdom brengt.

Maar eerst moeten alle onderdelen bij elkaar komen.

Onlangs, Mu2e ontving en testte de zeven supergeleidende eenheden die het eerste deel van de transportsolenoïde vormen. Strenge tests van de afzonderlijke eenheden, die in de industrie werden vervaardigd, zorgt ervoor dat ze voldoen aan de prestaties die nodig zijn voor het experiment.

"Voor dit project we werken samen met industrieën verspreid over de hele wereld, " zei Vito Lombardo, Mu2e manager voor de transportmagneten. "De supergeleidende kabels, de bouwstenen van deze magneten, kwam uit Japan, de supergeleidende eenheden die de S-vormige magneten vormen, worden in Italië vervaardigd en getest bij Fermilab, terwijl de cryostaten en thermische schilden, de apparaten die helpen de magneten koud te houden, komen uit de Verenigde Staten."

Fermilab coördineert dit wereldwijde partnerschap.

Als de planning die nodig was voor het experiment niet ingewikkeld genoeg was, de S-vorm van de solenoïde maakt het nog meer:​​elke magneeteenheid is uniek. Dit betekent dat de magneten niet alleen in een bepaalde volgorde moeten worden gemonteerd, maar dat het experiment niet kan vertrouwen op reserveonderdelen.

"Ze hebben een heel grappige vorm, " legde Karie Badgley uit, een van de wetenschappers die aan Mu2e werkt. "Je kunt ze niet zomaar bestellen zoals bij andere magneten, vooral met de krappe toleranties die we eisen."

De strenge tests die Fermilab elk van deze magneten doorstaat, nemen ongeveer vier maanden in beslag.

"Het is heel groot geweest, belangrijke stappen, "Zei Badgley. "Daarom is het zo spannend dat deze eerste helft bijna klaar is. We kunnen eindelijk beginnen om het in elkaar te zetten en het hele magnetische aspect van het stroomopwaartse gedeelte samen te zien komen."

Met de zeven magneten die de eerste helft van de transportsolenoïde vormen, geaccepteerd, het team is de sectie al aan het samenstellen. In de tussentijd, het testen van de magneten voor de tweede sectie begint.

De bouw van Mu2e zal naar verwachting in 2023 worden voltooid, en het experiment zal kort daarna klaar zijn om natuurkundige gegevens te verzamelen.