A construção do experimento Mu2e no Fermilab do Departamento de Energia atingiu um marco importante. Uma seção crucial de ímãs para o experimento, incluindo componentes da Itália, Japão e Estados Unidos, passou nos rigorosos testes necessários para garantir que cada ímã individual atenda ao desempenho necessário para o experimento.

Esses ímãs, parte de uma seção chamada solenóide de transporte, serão montados para formar uma parte nova do projeto Mu2e. O projeto Mu2e atingiu 80% de conclusão geral, de acordo com o gerente de projetos da Mu2e, Ron Ray.

Quando operacional, o experimento Mu2e chegará a 10, 000 vezes a sensibilidade de experimentos anteriores que buscavam a conversão direta de um múon em um elétron para testar uma das simetrias fundamentais da física de partículas.

Por que múons?

Os múons podem ser a chave para desvendar um mistério confuso na física de partículas. O mistério vem do Modelo Padrão, ou, mais precisamente, os furos dentro do modelo padrão.

Na segunda metade do século 20, os cientistas desenvolveram o que ficou conhecido como o modelo padrão da física. O modelo relaciona três das quatro forças fundamentais - a eletromagnética, o fraco e a força forte - um para o outro. Ele também classifica todas as partículas elementares conhecidas.

Mas desde o inicio, o Modelo Padrão deixou certos fenômenos inexplicados. Não inclui a quarta força do universo, gravidade, nem aborda a expansão acelerada do universo devido à energia escura ou à existência de matéria escura.

Então, onde entram os múons?

No modelo padrão, o muon, junto com o elétron e o tau, estão em uma família de partículas chamadas léptons. Cada leptão tem uma partícula parceira chamada neutrino:o neutrino do múon, neutrino de elétrons e neutrino de tau. Ao contrário de seus parceiros, neutrinos não têm carga elétrica. Os cientistas observaram neutrinos se transformando entre seus três tipos, e eles têm motivos para acreditar que os léptons carregados podem fazer o mesmo. Tudo que eles precisam é o tipo certo de experimento para descobrir.

O tipo certo de experimento

É aí que entra o Mu2e.

O experimento tem cerca de um terço do comprimento de um campo de futebol e terá 10, 000 vezes mais preciso quando se trata de procurar essa conversão múon em elétron do que um similar, experimento anterior denominado SINDRUM II. Uma das principais diferenças em relação aos experimentos anteriores é o sistema de Mu2e de três sistemas magnéticos supercondutores:o solenóide de produção, o solenóide de transporte e o solenóide do detector.

O solenóide de produção é onde os múons são criados. Um feixe de prótons atinge um alvo, e a interação eventualmente produz múons. Com a ajuda de ímãs, esses múons então espiralam para baixo no solenóide de transporte em forma de S.

O solenóide de transporte, uma parte crítica da configuração experimental, é dividido em duas metades. Muons viajam pela primeira metade do corredor cheio de curvas, onde eles são separados por carga. No ponto intermediário do solenóide, eles encontram um dispositivo especial que permite que apenas múons carregados negativamente passem para a segunda seção curva. Os múons negativos então saem do solenóide de transporte e entram no próximo grande ímã, o solenóide do detector. Lá, eles param em um segundo alvo.

É neste ponto que a mágica acontece - a mágica da mecânica quântica.

Quando um múon negativo atinge um alvo, apenas uma de duas coisas pode acontecer de acordo com o modelo padrão:ou o múon é capturado pelo núcleo, transformando um próton em um nêutron e deixando para trás um neutrino, ou o múon decai, emitindo um elétron e dois neutrinos.

Mas Mu2e está procurando uma terceira opção:a transformação de um múon em apenas um elétron, desacompanhado dos parceiros neutrinos usuais. A observação deste processo iria abrir totalmente o Modelo Padrão, demonstrando que um leptão carregado pode se converter diretamente em outro - um processo teorizado que ninguém jamais testemunhou.

“O que fazemos no Fermilab é pura pesquisa, e estamos tentando enriquecer a experiência humana ajudando as pessoas a entender o universo e o mundo em que vivemos, "Disse Ray." E, em última análise, o que está em causa é tentar completar o quadro do Modelo Padrão preenchendo alguns buracos que sabemos que existem. "

Construção do solenóide de transporte

Fazer com que tudo aconteça é ainda mais difícil do que parece, e o solenóide de transporte é uma parte importante do design do experimento, permitindo que seja sensível o suficiente para observar este fenômeno raro, se existe. O solenóide de transporte foi proposto pela primeira vez há décadas para lidar com as limitações dos experimentos anteriores de conversão múon-em-elétron. O Fermilab é o primeiro a concretizar totalmente esta nova ideia.

Mas primeiro todas as partes precisam se encaixar.

Recentemente, Mu2e recebeu e testou as sete unidades supercondutoras que formam a primeira parte do solenóide de transporte. Testes rigorosos das unidades individuais, que foram fabricados na indústria, garante que atendam ao desempenho necessário para o experimento.

"Para este projeto, estamos colaborando com indústrias espalhadas por todo o mundo, "disse Vito Lombardo, Gerenciador Mu2e para os solenóides de transporte. "Os cabos supercondutores, os blocos de construção desses ímãs, veio do Japão, as unidades supercondutoras que formam os ímãs em forma de S estão sendo fabricadas na Itália e testadas no Fermilab, enquanto os criostatos e escudos térmicos, os dispositivos que ajudam a manter os ímãs frios, estão vindo dos Estados Unidos. "

O Fermilab está coordenando esta parceria global.

Se o planejamento necessário para o experimento não foi complicado o suficiente, a forma em S do solenóide torna-o ainda mais forte:cada unidade magnética é única. Isso significa que os ímãs não só precisam ser montados em uma ordem específica, mas também que o experimento não pode depender de peças sobressalentes.

"Eles têm uma forma muito engraçada, "explicou Karie Badgley, um dos cientistas trabalhando em Mu2e. "Você não pode simplesmente encomendá-los como faria com outros ímãs, especialmente com as tolerâncias restritas que exigimos. "

Os testes rigorosos que o Fermilab faz para cada um desses ímãs leva cerca de quatro meses.

"Tem sido muito grande, passos importantes, "Badgley disse." É por isso que é tão emocionante que este primeiro tempo está quase terminado. Podemos finalmente começar a colocá-lo junto e ver todo o aspecto magnético da seção a montante se unir. "

Com os sete ímãs constituindo a primeira metade do solenóide de transporte aceitos, a equipe já está montando a seção. Enquanto isso, o teste dos ímãs para a segunda seção é iniciado.

A construção de Mu2e está prevista para terminar em 2023, e o experimento estará pronto para começar a coletar dados de física logo depois.