INFN-LNF Laboratori Nazionali di Frascati
Il Dr. Stefano Miscetti dei Laboratori Nazionali di Frascati è stato da poco eletto nuovo co-portavoce dell’esperimento Mu2e del Fermilab (Batavia, USA) sostituendo il prof. Jim Miller della Boston University e affiancandosi al Dr. Robert Bernstein del Fermilab.
L’esperimento Mu2e (si legge mu to e, ovvero trasformazione di un muone in un elettrone) ricerca la conversione diretta di un muone in elettrone in presenza di un nucleo atomico, senza produzione associata di neutrini. Questo è uno dei processi di “violazione di sapore nei leptoni carichi” (CLFV in inglese) completamente proibito nel modello Standard (SM). Pur assumendo l’oscillazione di neutrino, lo SM prevede delle probabilità di conversione di circa 10-52, rendendo l’evento impossibile da osservare. D’altra parte molti dei modelli di nuova fisica, dalla Supersimmetria ai Leptoquars, alle Z’, etc., prevedono probabilità di conversione maggiori rendendo questi processi osservabili ad un esperimento di precisione dedicato. L’osservazione diretta di un processo CLFV è quindi una chiara indicazione di nuova fisica. In questo panorama, la ricerca nel settore dei muoni copre un ruolo da “golden-case” sia perché è possibile generare fasci di muoni molto intensi, sia perché l’identificazione del processo viene semplificata dalla presenza di soli leptoni nello stato finale.
Mu2e è attualmente in costruzione al Muon Campus di Fermilab (Batavia, USA), in vicinanza dell’esperimento Muon (g-2) che sta attualmente completando la presa dati. Mu2e è inserito in uno sforzo internazionale per la ricerca di processi CLFV con muoni che include un esperimento di conversione (COMET) in costruzione al JPARC (Giappone) e gli esperimenti per la ricerca di decadimenti m→eγ (MEG-upgrade), in presa dati, e m→3e in costruzione, presso il PSI (Svizzera).
Mu2e ha l’obiettivo di migliorare di circa un fattore 10000 la sensibilità di scoperta attuale misurando probabilità di conversione fino a 10-16. Tale sensibilità permetterebbe, anche in caso di mancata osservazione del segnale, di escludere, o mettere in seria difficoltà, molti dei modelli di nuova fisica, controllando scale di massa che si estendono fino a 1000 o 10000 TeV, ben al di sopra di quanto raggiungibile con misure dirette ai collisori di alta energia.
La tecnica sperimentale e l’esperimento Mu2e
Per migliorare di quattro ordini di grandezza la sensibilità della misura, l’esperimento si basa su quattro elementi principali: (i) un fascio di muoni ad altissima intensità (10 miliardi di muoni al secondo fermati sul bersaglio di alluminio) in modo di collezionare 1018 interazioni in qualche anno di presa dati, (ii) un fascio pulsato con periodi di 1.7 msec per eliminare i contributi dei decadimenti veloci legati a pioni, (iii) un grande sistema solenoidale, lungo 25 m, per produrre, trasportare e poi focalizzare sul bersaglio i muoni ed infine (iv) un rivelatore dedicato all’osservazione del candidato elettrone di conversione che compare come una riga monoenergetica (104.7 MeV) vicinissima alla massa del muone a riposo. Il rivelatore è costituito da un tracker con 20000 “straw-tube” leggerissimi con risoluzioni in momento di 180 keV, un calorimetro a cristalli di ioduro di cesio puro letti con fotomoltiplicatori al silicio (SiPMs) per distinguere elettroni da muoni, ed un sistema di veto basato su contatori a scintillazione per eliminare gli eventi prodotti da interazioni di raggi cosmici che possano somigliare ad eventi di conversione.
Il costo dell’esperimento è di circa 300 M$ con la costruzione dei rivelatori iniziata nel 2016 dopo 5-6 anni di ricerca e sviluppo. La fase di costruzione dell’esperimento è in stato molto avanzato, con il grande sistema solenoidale in fase di completamento e con i rivelatori che inizieranno la fase di istallazione in sala sperimentale nel 2024, seguita da una fase successiva di commissioning nel 2025. Il primo run di fisica con fasci di muoni è atteso per il 2026.
La collaborazione Mu2e è composta da circa 240 persone, 38 istituti e 6 nazioni partecipanti, Stati Uniti, Italia, Inghilterra, Germania, Russia e Cina.
Il contributo italiano
La componente italiana, costituita da 30 membri di cui circa la metà dei LNF, svolge un ruolo importante e costituisce circa il 15% della collaborazione. L’INFN ha contribuito e sta contribuendo in molte parti dell’esperimento. Inizialmente con la costruzione del primo prototipo di magnete per il “Solenoide di Trasporto”, realizzato con una collaborazione fra INFN Genova e ASG Superconducting sotto la guida del Dr. Pasquale Fabbricatore. Poi, con il Dr. Miscetti come responsabile tecnico, l’INFN, con le sezioni di Frascati, Pisa, Lecce e Trieste, ha guidato il disegno, lo sviluppo di prototipi, la costruzione dei componenti e l’assemblaggio del calorimetro elettromagnetico, per un contributo diretto di circa 3.5 MEuro. Questo rivelatore, costituito da 1400 cristalli scintillanti di CsI puro letti con 2800 SiPM è in fase di assemblaggio al Fermilab con il primo dei due dischi praticamente completato. Il lavoro del gruppo LNF è stato fondamentale per la scelta tecnologica, lo sviluppo dei SiPM su disegno custom, il test e la qualifica di cristalli e fotosensori, il disegno e la realizzazione di molti componenti meccanici, della meccanica di supporto e di tutta l’elettronica di Front End.
“Sono veramente onorato di assumere questo incarico in un momento così delicato ed importante per l’esperimento”, commenta Miscetti, “dopo più di 10 anni di lavoro e 7 anni dall’inizio della costruzione stiamo finalmente vedendo la fine del tunnel. La costruzione dei magneti è a buon punto ed anche il calorimetro, di cui sono ancora il Project Leader, è stato parzialmente assemblato.
Nei prossimi due anni, il mio compito principale sarà quello di collaborare con il Dr. Bernstein per guidare l’esperimento nella sua fase di commissioning e prepararlo per la presa data di fisica. Dovremo focalizzare il lavoro della collaborazione sui molti dettagli che rimarrano da completare alla fine della costruzione dell’apparato sperimentale, ovvero rendere operativi i programmi di acquisizione dati, il trigger e la ricostruzione dati ed iniziare ad ottimizzare i programmi di analisi.
Incoraggerò I giovani dell’esperimento, indipendentemente dalla loro razza, genere e nazionalità, a ricoprire ruoli di visibilità con il compito di far funzionare bene l’esperimento. Nel medio e lungo periodo, i dottorandi e i giovani ricercatori saranno quelli che permetteranno a Mu2e di avere successo e di ottenere risultati di fisica di altissimo livello”.
Stefano Miscetti
Il Dr. Miscetti è dirigente di Ricerca dei LNF. Ha iniziato la sua attività nell’esperimento CDF al Tevatron del Fermilab dove si è occupato di calorimetria adronica e scattering elastico protone-antiprotone. Ha poi collaborato attivamente all’esperimento KLOE a DAFNE, dove è stato uno dei leader per il disegno, costruzione e calibrazione del calorimetro elettromagnetico, ha svolto molte analisi dati e ruoli di coordinamento fino a ricoprire il ruolo di Technical Manager dell’esperimento KLOE-2 dal 2006 al 2012. Dal 2009 è Project Leader per il calorimetro elettromagnetico di Mu2e e dal 2012 responsabile nazionale della collaborazione italiana di Mu2e. È stato membro di importanti comitati internazionali come LHCC del CERN ed il PAC del Fermilab. Recentemente è stato chiamato a far parte del Detector Advisory Committee per l’ Electron Ion Collider a BNL.