INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Un importante passo avanti per l’esperimento Mu2e al Fermilab: è stato completato e installato nella sala sperimentale il calorimetro elettromagnetico uno dei componenti fondamentali dell’esperimento progettato e realizzato grazie principalmente alla collaborazione italiana. In prima linea i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN, che hanno coordinato sia gli aspetti tecnici che gestionali del progetto.
Mu2e è uno degli esperimenti più avanzati nella ricerca di fisica oltre il Modella Standard alla frontiera dell’alta intensità, focalizzato sullo studio della violazione di sapore nei leptoni carichi (cLFV, charged Lepton Flavour Violation). Il nome stesso dell’esperimento — Mu2e, ovvero muon to electron, cioè da muone a elettrone — spiega chiaramente l’obiettivo: cercare la conversione diretta di un muone in un elettrone, senza emissione di neutrini, in presenza del campo elettrico di un nucleo di alluminio. Il processo, proibito dal Modello Standard della fisica delle particelle, è previsto da molte teorie che lo estendono.
L’ambizioso obiettivo di Mu2e è migliorare di ben quattro ordini di grandezza la sensibilità rispetto agli esperimenti precedenti, raggiungendo un limite di 3 × 10⁻¹⁷. Per farlo, sarà necessario fermare sul bersaglio circa 10¹⁸ muoni, un numero comparabile a quello di tutti i granelli di sabbia presenti sulla Terra. Per raggiungere questo traguardo, Mu2e si avvale di infrastrutture di avanguardia, tra cui una linea di fascio dedicata – muon beam line – per la produzione, selezione e trasporto dei muoni su bersaglio, con un flusso di circa 10 miliardi di muoni negativi al secondo. La muon beam line è composta da tre magneti superconduttori, il solenoide di produzione (PS), il solenoide di trasporto (TS) e il solenoide rivelatore (DS), per una lunghezza totale della linea di 25 m. Il TS, le cui bobine sono tutte state costruite in Italia da ASG Superconductors (Genova), è stato istallato al Fermilab nel 2024; il PS è stato istallato ad inizio agosto 2025 mentre il DS, la cui istallazione è prevista per marzo 2026, guiderà la data di partenza dell’esperimento.
Il segnale ricercato da Mu2e è quello di un elettrone monoenergetico con un valore della sua energia (104,97 MeV) molto vicino a quella della massa del muone a riposo. Per distinguere questi rarissimi eventi dal fondo prodotto dagli elettroni provenienti dai decadimenti ordinari dei muoni, è necessario ricostruire con altissima precisione ( < 200 keV) l’impulso delle particelle ed identificarle come elettroni. Questo compito è affidato a due rivelatori inseriti nel DS: il tracciatore leggerissimo, composto da 20.000 straw in mylar di 15 mm di spessore, ed il calorimetro elettromagnetico a cristalli, in grado di discriminare tra elettroni e muoni tramite misure di energia e di tempo di volo.
Il calorimetro è costituito da due dischi in allumino, ciascuno contenenti 674 cristalli di Ioduro di Cesio puro (CsI). Ogni cristallo è letto da due fotomoltiplicatori al silicio (SiPM) connessi a un’elettronica analogica veloce e a un sistema di lettura digitale con campionamento a 5 ns. Questo rivelatore garantisce ottime prestazioni in termini di risoluzione energetica e temporale (< 10% e 500 ps a 100 MeV), operando in condizioni proibitive legate all’alta intensità di particelle ed alle richieste sperimentali: mantenere la sua funzionalità in vuoto (10-4 Torr) e in un ambiente ad alta radiazione, costituita da particelle sia cariche che neutre.
Il progetto, la costruzione, il test e l’istallazione di questo rivelatore hanno richiesto uno sforzo intenso da parte di un vasto team costituito dai gruppi INFN dei LNF e delle sezioni di Pisa, Ferrara, Lecce e Trieste, in collaborazione con il JINR di Dubna e l’università di Caltech. Dopo una fase di sviluppo durata tre anni, la costruzione è iniziata nel 2016 con la produzione ed il test di 1500 cristalli, 4000 SiPM, la realizzazione della meccanica di supporto e del sistema di raffreddamento. Ad inizio 2000, la pandemia Covid-19 ha interrotto i lavori presso il Fermilab, ma grazie all’impegno congiunto di tecnici, ingegneri, ricercatori, assegnisti, dottorandi e studenti dei LNF, l’assemblaggio è stato trasferito e proseguito con successo in Italia. Negli ultimi tre anni, l’assemblaggio finale, il cablaggio ed il test dei segnali, condotti in una camera pulita al Fermilab, hanno visto una costante guida e partecipazione del gruppo LNF, che ha portato alla consegna dei due dischi perfettamente funzionanti a giugno 2025. Il trasporto dalla sala assemblaggio al posizionamento sopra i binari nella sala sperimentale di Mu2e si è svolto con successo l’11 settembre 2025 per il primo disco ed il 16 settembre 2025 per il secondo.
“Un ringraziamento doveroso” – afferma il Dr. Stefano Miscetti, portavoce di Mu2e e responsabile tecnico del calorimetro, “va a tutto il team del calorimetro con una particolare menzione alla squadra dei LNF, al servizio vuoto, al reparto elettronico, ai tecnici di gruppo e d’officina, all’intero laboratorio, ed a tutto l’INFN, per il supporto fornito. Sono orgoglioso del lavoro svolto e spero che questo importante traguardo ci avvicini con successo al lungo periodo di commissioning ed operazione sul fascio”.