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MU2E

calorimetro_mu2eI Laboratori Nazionali di Frascati partecipano al disegno ed alla costruzione dell’esperimento Mu2e al Fermilab negli Stati Uniti, la cui partenza è prevista nel 2020.
Secondo il Modello Standard, i muoni decadono in elettroni con un processo a 3 corpi: μ → e anti-νeνμ, in cui il numero leptonico totale tra stato iniziale e stato finale è conservato. L’esperimento Mu2e (si legge Mu To e) ricerca il processo di conversione diretta di un muone in un elettrone in presenza di un nucleo di alluminio. Tale processo viola la conservazione del sapore leptonico, e nel Modello Standard è completamente trascurabile (probabilità = 10-52). La sua osservazione diretta è quindi indicazione di nuova fisica (Supersimmetria, Leptoquarks, Z’ …). L’importanza di tale misura risiede nella complementarità alle ricerche di produzione diretta di nuove particelle (come al collisore LHC) e ad altre misure di violazione leptonica (μ → e γ, μ→ e ee) e nella estensione del limite di massa esplorabile, che raggiunge le centinaia di TeV, molto al di sopra dei valori producibili agli attuali collisori.
La difficoltà dell’esperimento risiede nell’estrema rarità del processo, equivalente alla probabilità di avere la propria casa distrutta da un meteorite e colpita da un fulmine nei prossimi 3 mesi. L’obiettivo dell’esperimento è il raggiungimento di valori di sensibilità pari a 2.5 x 10-17, cioè 10000 volte meglio rispetto alla misura attuale. Per far questo, i tre componenti fondamentali dell’apparato sperimentale sono: (1) un fascio pulsato di muoni ad altissima intensità prodotto attraverso un fascio di protoni che incide su un bersaglio di tungsteno; (2) un sistema di trasposto magnetico per il trasporto e la selezione dei muoni; (3) un solenoide di 12 m al cui interno sono posizionati il bersaglio di allumino ed i rivelatori.
I 10 miliardi di muoni prodotti ogni secondo vengono fermati nel bersaglio. Nel 40% dei casi, il muone viene catturato in orbita 1S, dando origine ad un atomo muonico. Nel restante 60% dei casi si hanno processi di cattura nucleare del muone che danno origine ad un fondo di protoni, fotoni e neutroni. Nel caso rarissimo di conversione, un muone in orbita 1S si trasforma in un elettrone “mono-energetico” con valori di impulso molto vicini alla sua massa a riposo: 105 MeV/c. Il rivelatore deve essere molto preciso per poter distinguere il segnale dal fondo ed è costituito da un sistema tracciante a tubi “straw” e da un calorimetro a cristalli. I laboratori hanno un ruolo leader nel contributo INFN all’esperimento guidando il disegno, la realizzazione dei prototipi e la costruzione del calorimetro elettromagnetico. Il calorimetro deve ricostruire gli elettroni di conversione con una risoluzione energetica del 5% ed una risoluzione temporale migliore di 0.5 miliardesimi di secondo. Per far questo, il rivelatore è costituito da 2 dischi di 1400 cristalli scintillanti di Ioduro di Cesio puro (CsI) accoppiati otticamente ad una nuova generazione di fotomoltiplicatori al silicio (SIPM) con alta sensibilità di rivelazione per la componente ultravioletta a 310 nm della luce di scintillazione.

 

mu2e_layout
MU2E layout

 

Esempio di evento di conversione. Muone in orbita 1 s in Alluminio. Elettrone di conversione.
Esempio di evento di conversione.
Muone in orbita 1 s in Alluminio.
Elettrone di conversione.

 

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Ultima modifica: 24 maggio 2016