MU2E

Oggi l’attenzione del mondo della fisica delle particelle è sempre più focalizzata alla ricerca della cosiddetta Nuova Fisica oltre il Modello Standard (MS), per cercare di comprendere e rispondere ad alcune domande fondamentali che questo modello non spiega.
Secondo il MS, i muoni decadono in elettroni con un processo a 3 corpi: μ^– → e^– , anti-ν_e,ν_μ, in cui il numero e sapore leptonico tra stato iniziale e finale sono conservati.I Laboratori Nazionali di Frascati partecipano al disegno e alla costruzione dell’esperimento Mu2e al Fermilab, negli Stati Uniti, la cui presa dati partirà nel 2023. Il suo obiettivo è studiare 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 previsto con una probabilità molto bassa (<10^-54). L’osservazione di questo decadimento con le sensibilità sperimentali odierne sarebbe quindi una chiara indicazione di Nuova Fisica. Esistono già altri modelli teorici oltre il MS (Supersimmetria, Leptoquarks, Z’, ecc.) che prevedono questa conversione con una probabilità maggiore: circa 10^-16, ovvero equivalente alla probabilità di avere la propria casa distrutta da un meteorite e colpita da un fulmine nei prossimi 3 mesi.

L’importanza della misura di Mu2e risiede anche 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^– e⁺ e^–). Indagando molto al di sopra dei valori di massa producibili agli attuali collisori, Mu2e investigherà infatti fino a scale di energia intorno a migliaia di TeV.

La difficoltà dell’esperimento risiede nell’estrema rarità del processo. Il suo obiettivo consiste nel raggiungimento di valori di sensibilità per singolo evento pari a 3 x 10^-17, cioè 10000 volte meglio rispetto alla misura attuale. A tale scopo, i tre componenti fondamentali dell’apparato sperimentale sono:

1) un fascio pulsato di muoni negativi ad altissima intensità, prodotto attraverso un fascio di protoni che incide su un bersaglio di tungsteno;
2) un sistema di magneti superconduttori, per il trasporto e la selezione dei muoni;
3) un solenoide di 12 m al cui interno sono posizionati il bersaglio allumino e i rivelatori.

I 10 miliardi di muoni prodotti ogni secondo vengono fermati nel bersaglio, formando atomi muonici con il muone catturato nell’orbitale 1S. Nel 40% dei casi, il muone decade in orbita.
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 nell’orbitale 1S si trasforma in un elettrone “mono-energetico” con valori di impulso molto vicini alla massa del muone a riposo: ~ 105 MeV/c. Il sistema di rivelatori 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. Il team di Mu2e dei LNF ricopre un ruolo leader nel contributo INFN all’esperimento, guidando il disegno, la fase di ricerca e sviluppo e la costruzione del calorimetro elettromagnetico.

Il calorimetro deve ricostruire gli elettroni da conversione con una risoluzione energetica del 10% e una risoluzione temporale migliore di 500 ps. Per far questo, il rivelatore è costituito da 2 dischi, ciascuno contenente 674 cristalli scintillanti di Ioduro di Cesio puro (CsI) letti da due fotomoltiplicatori al silicio (SiPM). Ai LNF è stato già sviluppato e testato con un fascio di elettroni un prototipo costituito da 51 cristalli. Le performance risultanti soddisfano a pieno i requisiti dell’esperimento.

A inizio 2018, è partita la fase di produzione del calorimetro, finalizzata alla caratterizzazione di tutti i componenti, nonché al controllo qualitativo degli stessi. La costruzione del primo disco inizierà nella primavera del 2020. L’installazione dell’intero rivelatore all’interno dell’apparato sperimentale seguirà nel 2021.