Mu2e - Mu2e

Логотип проекта Mu2e
Прототип модуля транспортного соленоида Mu2e
О японском варианте самолета МУ-2Е см. Митсубиси МУ-2.

Mu2e, или Мюон -к-Электрон Конверсионный эксперимент, это физика элементарных частиц эксперимент в Фермилаб в США.[1] Цель эксперимента - выявить физику за пределами Стандартная модель, а именно преобразование мюонов в электроны без испускания нейтрино, что встречается в ряде теоретических моделей.[2][3] Со-представитель проекта Джим Миллер сравнивает этот процесс с осцилляция нейтрино, но за плату лептоны.[4] Наблюдение за этим процессом поможет сузить круг правдоподобных теорий.[2] Эксперимент будет в 10 000 раз более чувствительным, чем предыдущие эксперименты по преобразованию мюонов в электроны, а энергия зонда может достигать 10 000 ТэВ.[2]

График

Предыдущая работа

Физики искали вкус нарушение с 1940-х гг.[2] Нарушение аромата у нейтрино было доказано в 1998 г. Супер-Камиоканде эксперимент в Японии.[5]

В 1989 году российские физики Владимир Лобашев и Рашид Джилкибаев предложил эксперимент по поиску нарушения лептонного аромата. Эксперимент, получивший название MELC, проводился с 1992 по 1995 г. Московская фабрика мезонов на Институт ядерных исследований в России, до закрытия из-за политического и экономического кризиса того времени.[6]

В 1997 году американский физик Уильям Мользон предложил аналогичный эксперимент на Брукхейвенская национальная лаборатория. 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 Эксперимент над Mu2e начался в 2009 году, а концептуальный дизайн был завершен в середине 2011 года.[3] В июле 2012 года Mu2e получил одобрение Critical Decision 1 (второй из пяти уровней критического решения) от Департамент энергетики, примерно через месяц после первоначальной проверки.[8] Менеджер проекта Рон Рэй заявил: «Я не знаю другого проекта, который получил бы одобрение так быстро после рассмотрения».[8] Финансирование эксперимента Mu2e было рекомендовано Департамент энергетики с Панель приоритезации проекта физики элементарных частиц в своем отчете за 2014 год.[9]

Строительство и эксплуатация

Новаторский на детекторном зале состоялась 18 апреля 2015 года, завершение строительства ожидается в конце 2016 года.[10] Ввод в эксплуатацию эксперимента ожидается в 2019 году, а предварительные результаты возможны примерно к 2020 году.[1] Ожидается, что эксперимент продлится три года.[7]

Дальнейшие усовершенствования детектора могут повысить чувствительность эксперимента на один-два порядка, что позволит более глубоко изучить любую конверсию заряженного лептона, которая может быть обнаружена в начальном цикле.[2]

Дизайн

Этапы эксперимента Mu2e

Аппарат Mu2e будет иметь длину 92 фута (28 м) и будет состоять из трех секций.[10] Общая стоимость эксперимента составляет 271 миллион долларов.[11]

Производство мюонов

Перепрофилированные элементы из Теватрон коллайдер будет использоваться для генерации и доставки 8 ГэВ пучок протонов. Протоны будут извлекаться из кольца доставки Фермилаба посредством нелинейного процесса извлечения третьего целого числа резонанса и отправляться импульсами к вольфрамовой мишени. Затем эти протоны столкнутся с вольфрам производственная цель в производственном соленоиде, производящая каскад частиц, включая пионы, которые распадаются на мюоны. Mu2e произведет от 200[7] и 500 квадриллион (2×1017 до 5 × 1017) мюонов в год.[6] На каждые 300 протонов, попадающих в производственную мишень, примерно один мюон попадет в транспортный соленоид.[7]

Транспорт

4.5-Тесла магнитное поле производства соленоид направит часть образовавшихся частиц в S-образный 2-тесловый эвакуирован транспортный соленоид, состоящий из 50 отдельных сверхпроводящий электромагниты,[12] который будет отбирать мюоны обвинять и импульс, и через некоторое время несут желаемые медленные мюоны к детектору.[3]

Обнаружение

Попадая в соленоид детектора, мюоны сталкиваются (и останавливаются внутри) алюминий мишень толщиной около 0,2 мм,[6][11] входящий орбитали вокруг ядра в пределах цели.[3][10] Любые мюоны, которые превращаются в электроны без испускания нейтрино, покидают эти орбитали и попадают в детектор с характерной энергией около 105 МэВ.[6][13]

Сам детектор состоит из двух компонентов: соломенного трекера для измерения импульс исходящих частиц; и электромагнитный калориметр чтобы определить, какие взаимодействия частиц необходимо записать для дальнейшего изучения, определить тип частицы, прошедшей через трекер, и подтвердить измерения трекера.[13] Электрон с энергией около 105 МэВ будет указывать на то, что электрон возник в результате безнейтринной конверсии мюона.[14]

Чтобы как можно меньше нарушать траекторию электронов, трекер использует как можно меньше материала. В проволочная камера трекер состоит из панелей 15-микрон -толстая соломка из металлизированной майлар наполненный аргон и углекислый газ, самые тонкие из таких соломок, когда-либо использовавшихся в экспериментах по физике элементарных частиц. Электроника на каждом конце строу будет записывать сигнал, возникающий при взаимодействии электронов с газом в соломе, что позволяет восстановить траекторию движения электронов.[14]

Чувствительность

Скорость безнейтринной конверсии мюонов в электроны ранее ограничивалась МЭГ эксперимент до менее 2,4 × 10−12, и дополнительно ограничен до 7 × 10−13 посредством SINDRUM II эксперимент в Институт Пауля Шеррера в Швейцарии.[5] Mu2e имеет ожидаемую чувствительность 5 × 10−17, на четыре порядка больше, чем у SINDRUM II, а это означает, что он увидит сигнал, если всего лишь один из 100 квадриллионов мюонов превратится в электрон.[5][6]

Сотрудничество

По состоянию на октябрь 2018 г., в сотрудничестве с Mu2e участвовали 240 человек из 40 организаций в шести странах.[15] Сотрудничество возглавляют со-спикеры Дуглас Глензински (Fermilab) и Джим Миллер (Бостонский университет). Руководителем проекта Mu2e является Рон Рэй; заместитель руководителя проекта - Джули Уитмор.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б "Mu2e: эксперимент по преобразованию мюона в электрон". Фермилаб. 21 апреля 2015 г.. Получено 30 апреля 2015.
  2. ^ а б c d е «Цели исследования». Фермилаб. 17 марта 2015 г.. Получено 1 мая 2015.
  3. ^ а б c d Глензински, Дуг (февраль 2011 г.). «Эксперимент Mu2e в Фермилабе» (PDF). Пенсильванский университет. Получено 1 мая 2015.
  4. ^ Пьергросси, Джозеф (10 января 2013 г.). «Эксперименты с мюонами Среднего Запада продолжают наследие Восточного побережья». Журнал Симметрия. Получено 4 мая 2015.
  5. ^ а б c Дориго, Томмазо (3 декабря 2012 г.). "Mu2E: Изучение нарушения вкуса лептона в Fermilab". Наука 2.0. Получено 4 мая 2015.
  6. ^ а б c d е ж Мастейн, Андреа (июнь 2010 г.). "Ребята из мюонов: в поисках новой физики". Журнал Симметрия. Получено 4 мая 2015.
  7. ^ а б c d "Как это работает?". Фермилаб. 17 марта 2015 г.. Получено 30 апреля 2015.
  8. ^ а б Пьергросси, Джозеф (20 июля 2012 г.). «Министерство энергетики продвигает эксперимент Fermilab Mu2e». Журнал Симметрия. Получено 4 мая 2015.
  9. ^ Джепсен, Кэтрин (22 мая 2014 г.). «Предлагаемый план на будущее физики элементарных частиц в США: в отчете Группы по приоритизации проекта физики элементарных частиц рекомендуется стратегический путь вперед для физики элементарных частиц США». Получено 4 мая 2015.
  10. ^ а б c Квон, Диана (21 апреля 2015 г.). «Mu2e открывает новые возможности для экспериментов в поисках новой физики». Фермилаб сегодня.
  11. ^ а б "Mu2e-doc-4299-v15: Технический отчет о проектировании Mu2e (TDR)". mu2e-docdb.fnal.gov. Получено 2017-01-18.
  12. ^ Саллес, Андре (16 декабря 2013 г.). «Mu2e привлекает магнитных экспертов». Журнал Симметрия. Получено 4 мая 2015.
  13. ^ а б "Mu2e-doc-8084-v1: Эксперимент Mu2e в Фермилабе". mu2e-docdb.fnal.gov. Получено 2017-01-18.
  14. ^ а б «Как обнаружить распад редкой частицы с помощью детектора, сделанного из (почти) ничего». Newswise. 3 марта 2015 г.. Получено 4 мая 2015.
  15. ^ «Сотрудничество». Фермилаб. 26 октября 2018 г.. Получено 7 декабря 2018.

внешняя ссылка