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Mu2e: completato il test dell’elettronica del calorimetro

Il team dei Laboratori Nazionali di Frascati della collaborazione Mu2e, insieme ai colleghi della Sezione INFN di Pisa, ha da poco portato a termine con successo il test completo dell’intera catena di elettronica di lettura definitiva del calorimetro, segnando un importante traguardo per la realizzazione dell’esperimento.

Mu2e, in fase di costruzione presso il Muon Campus del Fermilab, è un esperimento che ricerca la conversione diretta di un muone in elettrone in presenza di un nucleo di Alluminio. Questo processo viola la conservazione del sapore leptonico ed è per questo vietato dal Modello Standard. L’osservazione, anche di pochi segnali, fornirebbe una chiara indicazione di nuova fisica. Mu2e è stato disegnato per migliorare di 10000 volte la sensibilità degli esperimenti attuali e poter rivelare questo processo fino ad una probabilità di 10-16, pari a quella in cui, nell’arco di tre mesi, la nostra casa sia distrutta da un meteorite e colpita da un fulmine. Diversi modelli di nuova Fisica prevedono processi di conversione a questi livelli di probabilità.

La difficoltà principale dell’esperimento risiede nell’estrema rarità del processo ed è quindi necessario produrre un’enorme quantità di muoni, circa 1’000’000’000’000’000’000 in tre anni, numero pari a quanti sono i granelli di sabbia presenti sulla Terra.

L’apparato sperimentale è costituito da un sistema di tre magneti superconduttori solenoidali (mostrati in figura): il solenoide di produzione (PS); quello di trasporto (TS) e infine quello per i rivelatori (DS).

I muoni sono prodotti da un fascio di protoni ottenuto riutilizzando alcuni elementi del sistema di acceleratori del Tevatron. I pacchetti di protoni entrano nel primo solenoide e urtano un bersaglio di Tungsteno. Nell’interazione tra il fascio di particelle ed il bersaglio, vengono prodotti per lo più pioni, particelle che decadono prevalentemente in muoni. Il campo magnetico del PS spinge le particelle a entrare nel TS. Solo 1 protone su 100 di quelli che si scontrano con il bersaglio di produzione genera un muone che entra nel TS. Questo solenoide trasporta i muoni fino al DS, selezionando solo quelli con carica negativa e a basso impulso. La particolare forma a “S” serve a ridurre il numero di particelle neutre nel DS, le quali non seguono le due curve come invece le particelle cariche guidate dal campo magnetico.

Il solenoide dei rivelatori ospita il bersaglio per i muoni, che è costituito da fogli di alluminio molto sottili. Il processo di conversione cercato infatti può avvenire solo in presenza di un nucleo: i 10 miliardi di muoni prodotti ogni secondo vengono fermati nel bersaglio, formando atomi muonici (atomi di alluminio con il muone catturato in orbita). Nel 40% dei casi, il muone decade in orbita, emettendo un elettrone, un neutrino e un anti-neutrino. Nel restante 60% dei casi avvengono processi di cattura nucleare del muone che danno origine ad un fondo di protoni, fotoni e neutroni. Nel raro caso di conversione, un muone in orbita intorno al nucleo di alluminio si trasforma in un elettrone con un’energia ben definita pari alla massa a riposo del muone.

Il campo magnetico del DS spinge le particelle cariche prodotte dall’interazione tra fascio e bersaglio verso il sistema di rivelatori costituito da un tracciatore a tubi “straw” (cannuccia) e un calorimetro elettromagnetico a cristalli. Attraversato il tracciatore lungo 3 m, le particelle impattano e si fermano sul calorimetro, dove rilasciano la loro energia. Quest’ultimo rivelatore è composto da due anelli, ciascuno riempito con 674 cristalli di ioduro di cesio puro ognuno accoppiato a due fotomoltiplicatori al Silicio. La ricostruzione del segnale monoenergetico è compito del tracciatore. Combinando poi le misure di impulso e di energia, rispettivamente del tracciatore e del calorimetro, insieme alla misura del tempo di volo tra i due rivelatori, possiamo identificare il tipo di particella ed escludere le contaminazioni dovute a muoni, pioni o altre particelle.

La collaborazione Mu2e Italiana è costituita da circa trenta membri dei LNF e delle sezioni INFN di Pisa, Genova, Trieste e Lecce. Mentre il gruppo di Genova ha avuto un ruolo importante nella costruzione del TS, il gruppo LNF copre un ruolo di leadership per il calorimetro elettromagnetico, con il Dr. Stefano Miscetti come responsabile tecnico del sistema, e collabora con le altre sezioni INFN e il gruppo di Caltech (US) nel disegno, prototipizzazione, costruzione e assemblaggio dei vari componenti, collaborando con le altre sezioni nella costruzione dei vari componenti. Il calorimetro, caratterizzato da un’alta prestazione di risoluzione energetica e temporale, dovrà operare in ambiente ostile, ovvero in vuoto e in presenza di alte dosi di radiazioni e, come nel caso di esperimenti per lo spazio, senza interruzioni od interventi per almeno un anno.

Il team congiunto LNF-Pisa, ha da poco portato a termine con successo il test completo dell’intera elettronica di lettura definitiva del calorimetro e a settembre inizierà il montaggio del rivelatore presso la sala sperimentale del Fermilab. La settimana successiva lo stesso team ha anche iniziato il montaggio del supporto meccanico (in foto) presso la camera pulita ASTRA dei laboratori.