Antes do Mu2e, havia MECO.

Cientistas, pesquisadores, e os engenheiros ficaram em êxtase. Eles vinham tentando realizar o experimento de conversão de muon para elétron por quase duas décadas em dois continentes, e agora seria finalmente construído no Laboratório Nacional de Brookhaven.

Implacável quando o projeto foi interrompido em 2005, eles ajustaram seus planos e projetos para executar este experimento inovador no Laboratório Nacional do Acelerador Fermi em Batávia, Illinois.

O enigma muon

Mu2e visa resolver um mistério que intrigou experimentalistas e teóricos desde a descoberta do múon em 1936:os cientistas nunca observaram um múon se transformar em seu primo mais leve, o elétron, sem também emitir outras partículas.

A observação da conversão direta de múon em elétron "forneceria evidências inconfundíveis da física além do Modelo Padrão, "disse o co-porta-voz do experimento Jim Miller, um cientista da Universidade de Boston.

Elétrons, múons e taus são sabores de partículas chamadas léptons. Assim como morango, sorvete de chocolate e baunilha não podem se transformar um no outro, apesar de serem sabores de sorvete napolitano, múons aparentemente são impedidos de se converterem diretamente em elétrons.

Medir qualquer processo de conversão uma vez, muito menos várias vezes ao longo de um experimento, não é tarefa fácil. Para observar o sinal de conversão múon em elétron, Mu2e será cerca de 10, 000 vezes mais poderoso do que o experimento SINDRUM II, que terminou a coleta de dados em 2000 e foi o último experimento a pesquisar a conversão múon-em-elétron direta.

Se apenas um em 100 milhões de bilhões (10 ¹⁷ ) os múons se transformam em um elétron, Mu2e vai ver.

Produzindo píons:a história de um alvo

Antes que isso aconteça, os físicos precisam de píons.

A meta de produção, um material cuidadosamente moldado que intercepta um feixe de partículas, assume esse trabalho crítico, mas difícil. Quando um feixe de prótons atinge o alvo de produção fixo, píons saem em todas as direções e decaem quase imediatamente em múons, que desce em espiral através de outros componentes do experimento até um detector, dos quais eles (esperançosamente) emergem como elétrons.

Os componentes Mu2e são feitos com o mínimo de material possível porque as interações das partículas aumentam com a quantidade de material no experimento, interferindo com o sinal que os pesquisadores esperam observar. Isso apresentou desafios únicos para a equipe de design de destino de produção.

Residindo em uma câmara de vácuo dentro de um ímã cilíndrico supercondutor, a meta de produção está sujeita a condições extremas. Um feixe de prótons bate contra o alvo a cada segundo, fazendo com que sua temperatura aumente para cerca de 1, 700 graus Celsius (3, 092 graus Fahrenheit), a temperatura experimentada pelas partes mais quentes de um ônibus espacial da NASA reentrando na atmosfera da Terra.

Os pesquisadores logo perceberam que seu projeto inicial, uma relíquia do experimento MECO, era caro. Muito caro. Uma barra de ouro envolta em uma jaqueta de titânio, esse alvo precisava ser resfriado com água circulante por meio de um elaborado sistema de bombas d'água, bicos e outras infraestruturas.

"Foi quando alguns de nossos colegas apontaram que podemos nem precisar resfriar ativamente o alvo, "disse Steve Werkema, gerenciador de atualização do acelerador para Mu2e.

Duas modificações - mudar para um alvo que libera calor por conta própria, chamado de alvo resfriado por radiação, e reduzindo a potência do feixe de 25 quilowatts para 8 quilowatts - não apenas economizou dinheiro e simplificou a infraestrutura, mas também reduziu as preocupações com a segurança.

Agora, os pesquisadores precisavam de um novo alvo de produção. Para o material de destino, eles se voltaram para uma seção da tabela periódica conhecida como metais refratários. Os metais refratários são vantajosos em experimentos como o Mu2e porque têm altos pontos de fusão e são avessos à corrosão, mesmo sob altas temperaturas.

Os pesquisadores finalmente escolheram o tungstênio, um pesado, metal denso que pode suportar altas temperaturas e golpes brutais por feixes de prótons. Isso decidiu, estava de volta à prancheta, literalmente.

Revisitar, revisar e repetir

O primeiro alvo de tungstênio Mu2e parecia uma espessa, lápis longo. Seis milímetros (cerca de 0,25 polegadas) de diâmetro e 160 milímetros (um pouco mais de 6 polegadas) de comprimento, a haste de tungstênio produziu muitos píons.

O problema? Não havia como sustentar essa estrutura no vácuo.

Para resolver este enigma, pesquisadores anexaram peças que parecem megafones em ambas as extremidades da haste. Raios semelhantes a espaguete suspenderam esses componentes em uma estrutura de anel de bicicleta que protege o alvo e auxilia um braço robótico na remoção e descarte do alvo.

"Foi quando começamos a descobrir problemas que precisávamos superar, um por um, "Werkema disse.

O primeiro problema que encontraram foi a corrosão.

Normalmente, o tungstênio é à prova de corrosão, mas estudos mostraram que mesmo a menor porção de oxigênio na câmara de vácuo causa problemas em temperaturas e pressões Mu2e.

"Pense nisso como seu carro. Os pára-lamas enferrujam e você obtém esses grandes pedaços de ferrugem que caem, e logo você não tem mais nenhum pára-choque, "disse Dave Pushka, engenheiro líder de produção no Fermilab.

A meta de produção corroeria tão rápido que não duraria um ano. Os pesquisadores aprimoraram a câmara de vácuo para mitigar esse efeito. Embora ainda prevejam alguma formação de óxido de tungstênio, não deve ser suficiente para fazer com que o alvo falhe rapidamente.

Os pesquisadores então se perguntaram:por quanto tempo um feixe de prótons poderia bombardear o alvo antes de falhar devido ao estresse e fadiga? Em um marco importante, Pesquisadores do Laboratório Rutherford Appleton na Inglaterra desenvolveram um alvo protótipo e o atingiram com um pulso elétrico até que ele falhou. Eles concluíram que, pelo menos desse modo de falha, a meta duraria mais de um ano.

O terceiro desafio era a temperatura. Os pesquisadores temiam que o alvo pudesse se deformar como um pedaço de manteiga em um piquenique em julho antes de atingir seu tempo de vida prescrito (cerca de 43 semanas de tempo de feixe).

Conforme os prótons atingem a meta de produção, energia cinética se transforma em calor, fazendo com que o alvo se expanda para fora e ceda no meio. Essa instabilidade causa ainda mais flacidez, à medida que os raios que sustentam o alvo juntam suas pontas, colocando mais força em ambas as extremidades e fazendo o alvo ceder ainda mais.

Pessoas de ambos os lados do Atlântico trabalharam em competição amigável para desenvolver o melhor modelo de alvo. Em última análise, vários elementos de design, como molas conectando os raios ao anel da bicicleta, foram introduzidos para combater a fadiga e a queda do alvo.

Em sua versão atual, o alvo ainda se parece muito com um lápis não afiado. É cinza, relativamente pesado, e 200 milímetros (quase 8 polegadas) de comprimento, com anéis cilíndricos em cada extremidade, aletas que dissipam o calor do núcleo alvo e se protegem contra a curvatura e o espaço vazio que separam os segmentos da haste central.

As barbatanas, que fazem o alvo parecer uma estrela nas pontas, requerem sutileza para funcionar como pretendido sob o feixe de prótons severo.

"À medida que você adiciona mais nadadeiras, a superfície de uma barbatana não vê temperaturas mais baixas. Em vez disso, ele vê outra barbatana na mesma temperatura quente. Isso significa que há alguns retornos decrescentes em termos de estrutura e número de aletas e dissipação de calor, "Pushka disse.

O gerente do projeto Mu2e, Ron Ray, do Fermilab, sugeriu que a segmentação do núcleo do alvo poderia amenizar esse problema dependente da temperatura. Os pesquisadores descobriram que a introdução de espaços entre curtos, segmentos cilíndricos de tungstênio permitem que eles ajustem as temperaturas ao longo do alvo.

Os guardiões do design de alvo ideal

Enquanto isso, três equipes de engenheiros trabalham para eliminar o máximo de surpresas possível no beam-on.

"A equipe de destino de produção quer saber o que acontece com cada mudança no alvo ou feixe, "disse Kevin Lynch, professor de física do York College da City University of New York e membro da equipe de design de destino de produção da Mu2e. "Nossos modelos rastreiam tudo, desde a produção de píons até as conversões múon-para-elétrons e a forma como a energia se acumula nos componentes ao longo do experimento."

Esses cálculos independentes, realizada pela equipe de Lynch no York College e pela equipe de Bob Bernstein no Fermilab, são com quem trabalha a engenheira sênior Ingrid Fang.

Fang, que trabalha no Fermilab há mais de duas décadas, aplica os cálculos de Lynch à geometria fornecida por Pushka, configura o modelo, e resolve o estresse e a temperatura em cada ponto do alvo. As simulações são tão complexas que um supercomputador leva três ou mais dias para resolver os milhões de equações.

"Temos que encontrar aquele ponto ideal entre a temperatura e a produção de múon, "Fang disse.

É o resultado de Fang que é estudado por cientistas, pesquisadores e engenheiros. É o resultado de Fang que faz ou quebra as decisões. É o resultado de Fang que determina se o objetivo da produção passa para a construção ou volta para o design.

"Agora, é o grand finale, "Fang diz sobre o design atual." Combinamos o alvo com sua estrutura de suporte e colocamos todas as cargas, incluindo a pulsação do feixe, carga de radiação, gravidade, e pré-tensão nos parafusos que prendem o sistema, no modelo, e os resultados parecem muito promissores. "

Construindo um alvo 101

Os pesquisadores sabem que a vida no laboratório é cheia de altos e baixos, remendos e revisão. O que originalmente começou como ouro, a haste refrigerada a água evoluiu para uma forma segmentada e com aletas, radiativamente resfriado, aparelho de tungstênio que atende aos objetivos do projeto. Cientistas, pesquisadores, engenheiros e analistas examinaram mais de 35 projetos de alvos ao longo dos anos.

Os pesquisadores permanecem destemidos, pois agora enfrentam o último desafio - construir de fato a meta de produção.

"O tungstênio é difícil de usinar. Você não pode cortá-lo com um torno. Você não pode serrar. Ele precisa ser aterrado ou usinado por descarga de eletrodo, "Pushka disse. Ele observa que há pelo menos três ou quatro empreiteiros na área de Chicagoland, e mais além, quem pode realizar este trabalho intrincado.

Werkema e Pushka estimam que o alvo levará 12 semanas para fabricar e outras 12 semanas para montar e alinhar com a viga. Então, após o término da construção de Mu2e em 2022, há outro ano de configuração, medições e calibração necessárias antes que o experimento comece a funcionar em 2023.

"Parece que vai demorar muito, mas parece que não é o tempo, se considerarmos que os primeiros designs foram feitos no final dos anos 1990. Agora mesmo, parece que estamos terminando porque superamos todos esses desafios de engenharia e design, e agora novas coisas aparecem e são instaladas todas as semanas. Você pode realmente ver o progresso, "Werkema diz.

"Eu trabalhei em muitos experimentos no Fermilab, "Pushka disse." Mu2e é o mais difícil, experimento mais difícil em que já trabalhei e, Eu penso, que já tentamos realizar. É extremamente difícil do ponto de vista da ciência e da engenharia. "

Parece que os pesquisadores, por enquanto, estão no caminho certo para descobrir novas físicas através do Mu2e.