Före Mu2e, det fanns MECO.

Forskare, forskare, och ingenjörer var extatiska. De hade försökt utföra experimentet Muon to Electron COnversion i nästan två decennier på två kontinenter, och nu skulle den äntligen byggas vid Brookhaven National Laboratory.

Osträckt när projektet drogs 2005, de justerade sina planer och mönster för att köra detta banbrytande experiment på Fermi National Accelerator Laboratory i Batavia, Illinois.

Muon -gåtan

Mu2e syftar till att lösa ett mysterium som har förbryllat experimentalister och teoretiker sedan upptäckten av muonen 1936:Forskare har aldrig sett en muon förvandlas till sin lättare kusin, elektronen, utan att även avge andra partiklar.

Observation av direkt muon-till-elektron-omvandling "skulle ge omisskännliga bevis på fysik bortom standardmodellen, "sade experimentets talesperson Jim Miller, en forskare vid Boston University.

Elektroner, muoner och taus är smaker av partiklar som kallas leptoner. Precis som jordgubbe, choklad och vaniljglass kan inte förvandlas till varandra, trots smaker av napolitansk glass, muoner förhindras tydligen från att omvandla direkt till elektroner.

Mäter en sådan omvandlingsprocess en gång, än mindre flera gånger under ett experiment, är ingen lätt grej. För att observera muon-till-elektron-omvandlingssignalen, Mu2e blir cirka 10, 000 gånger starkare än SINDRUM II -experimentet, som samlade in data år 2000 och var det sista experimentet för att söka efter direkt muon-till-elektron-konvertering.

Om bara en av 100 miljoner miljarder (10 ¹⁷ ) muoner omvandlas till en elektron, Mu2e kommer att se det.

Producera pioner:En målsaga

Innan detta kan hända, fysiker behöver pioner.

Produktionsmålet, ett noggrant format material som fångar upp en partikelstråle, utgår från att kritiskt men svårt jobb. När en stråle av protoner träffar det fasta produktionsmålet, pioner kommer ut i alla riktningar och förfaller nästan omedelbart till muoner, som spiraler ner genom andra komponenter i experimentet till en detektor, varifrån de (förhoppningsvis) kommer ut som elektroner.

Mu2e -komponenter är gjorda med så lite material som möjligt eftersom partikelinteraktioner ökar med mängden material i experimentet, stör signalen som forskarna hoppas kunna observera. Detta presenterade unika utmaningar för produktionsmålets designteam.

Bor i en vakuumkammare inuti en supraledande cylindrisk magnet, produktionsmålet är föremål för extrema förhållanden. En protonstråle slår mot målet varje sekund, får temperaturen att stiga till cirka 1, 700 grader Celsius (3, 092 grader Fahrenheit), temperaturen upplevs av de hetaste delarna av en rymdfärja från NASA som åter kommer in i jordens atmosfär.

Forskare insåg snart att deras ursprungliga design, en relik från MECO -experimentet, var dyrt. För dyr. En guldstång innesluten i en titanjacka, detta mål behövde kylas med cirkulerande vatten via ett genomarbetat system med vattenpumpar, munstycken och annan infrastruktur.

"Det var när några av våra kollegor påpekade att vi kanske inte behöver aktivt kyla målet alls, "sa Steve Werkema, acceleratoruppgraderingshanterare för Mu2e.

Två modifikationer - att byta till ett mål som avger värme på egen hand, kallas ett strålande kylt mål, och minska strålkraften från 25 kilowatt till 8 kilowatt - inte bara sparade pengar och förenklad infrastruktur utan också minskade säkerhetsproblem.

Nu, forskare behövde ett nytt produktionsmål. För målmaterialet, de vände sig till en del av det periodiska systemet som kallas eldfasta metaller. Eldfasta metaller är fördelaktiga i experiment som Mu2e eftersom de har höga smältpunkter och är motståndskraftiga mot korrosion även vid höga temperaturer.

Forskarna valde slutligen volfram, en tung, tät metall som tål höga temperaturer och brutalt dunkande av protonsträngar. Detta avgjorde, det var tillbaka till ritbordet, bokstavligen.

Återbesök, revidera och upprepa

Det första Mu2e -volframmålet såg ut som ett tjockt, lång penna. Sex millimeter (cirka 0,25 tum) i diameter och 160 millimeter (lite drygt 6 tum) lång, volframstången producerade massor av pioner.

Problemet? Det fanns inget sätt att stödja denna struktur i vakuum.

För att lösa detta problem, forskare fäst delar som ser ut som megafoner till stavens båda ändar. Spaghetti-liknande ekrar hängde upp dessa komponenter i en cykelringstruktur som säkrar målet och hjälper en robotarm med avlägsnande och bortskaffande av mål.

"Det var då vi började upptäcka problem som vi var tvungna att övervinna, en och en, "Sa Werkema.

Det första problemet de stötte på var korrosion.

Vanligtvis, volfram är korrosionssäker, men studier visade att även den minsta delen av syre i vakuumkammaren orsakar problem vid Mu2e -temperaturer och tryck.

"Tänk på det som din bil. Skärmar rostar och du får de här stora rostbitarna som faller av, och ganska snart har du ingen skärm kvar, "sa Dave Pushka, ledande produktionsmålingenjör på Fermilab.

Produktionsmålet skulle korrodera så snabbt att det inte skulle hålla ett år. Forskare förbättrade vakuumkammaren för att mildra denna effekt. Medan de fortfarande förutser en viss volframoxidbildning, det borde inte vara tillräckligt för att få målet att misslyckas snabbt.

Forskarna undrade sedan:Hur länge kan en protonstråle bombardera målet innan det misslyckades på grund av stress och trötthet? I en viktig milstolpe, Rutherford Appleton Laboratory -forskare i England utvecklade ett prototypmål och träffade det med en elektrisk puls tills det misslyckades. De drog slutsatsen att, åtminstone från det felläget, målet skulle vara mer än ett år.

Den tredje utmaningen var temperaturen. Forskare var oroliga för att målet skulle kunna deformeras som en smörsticka på en picknick i juli innan den når den föreskrivna livslängden (cirka 43 veckors stråltid).

När protoner träffade produktionsmålet, rörelseenergi förvandlas till värme, vilket får målet att expandera utåt och sjunka i mitten. Denna instabilitet orsakar ännu mer slapphet, när ekrarna som stöder målet drar ihop ändarna, lägga mer kraft i båda ändarna och få målet att sjunka ytterligare.

Människor på båda sidor av Atlanten arbetade i vänskaplig konkurrens för att utveckla den bästa målmodellen. I sista hand, flera designelement, som fjädrar som förbinder ekrarna med cykelringen, introducerades för att bekämpa trötthet och målinfall.

I sin nuvarande version, målet ser fortfarande mycket ut som en oskarp penna. Det är grått, relativt tung, och 200 millimeter (nästan 8 tum) lång, med cylindriska ringar i varje ände, fenor som sprider värme från målkärnan och stagar mot sag och tomt utrymme som separerar segment av den centrala stången.

Fenorna, som får målet att se ut som en stjärna från ändarna, kräver finess för att fungera som avsett under den hårda protonstrålen.

"När du lägger till fler fenor, ytan på en fena ser inte svalare temperaturer. Den ser istället en annan fen vid samma varma temperatur. Detta innebär att det finns en avtagande avkastning när det gäller finstruktur och antal och värmeavledning, Sa Pushka.

Mu2e-projektledaren Ron Ray från Fermilab föreslog att segmentering av målets kärna skulle kunna förbättra denna temperaturberoende fråga. Forskarna har funnit att införa mellanrum mellan korta, cylindriska segment av volfram tillåter dem att finjustera temperaturer längs målet.

Portvakterna för optimal måldesign

Under tiden, tre team av ingenjörer arbetar för att eliminera så många överraskningar som möjligt vid beam-on.

"Produktionsmålteamet vill veta vad som händer med varje förändring av målet eller strålen, "sa Kevin Lynch, professor i fysik vid York College vid City University of New York och Mu2e produktionsmålteammedlem. "Våra modeller spårar allt från pionproduktion till muon-till-elektron-omvandlingar till hur energi ackumuleras i komponenter under hela experimentet."

Dessa oberoende beräkningar, framförd av Lynchs team vid York College och Bob Bernsteins team på Fermilab, är vad senioringenjör Ingrid Fang arbetar med.

Fang, som har arbetat på Fermilab i över två decennier, tillämpar Lynchs beräkningar på geometrin från Pushka, sätter upp modellen, och löser för stress och temperatur vid varje punkt i målet. Simuleringarna är så komplexa att det tar en superdator tre eller flera dagar att lösa miljontals ekvationer.

"Vi måste hitta den där söta platsen mellan temperatur och muonutbyte, Sa Fang.

Det är Fangs resultat som studeras av forskare, forskare och ingenjörer. Det är Fangs resultat som fattar eller bryter beslut. Det är Fangs resultat som i slutändan avgör om produktionsmålet går vidare till konstruktion eller går tillbaka till design.

"Nu, det är den stora finalen, "Fang säger om den nuvarande designen." Vi kombinerade målet med dess stödstruktur och lade alla laster, inklusive strålpulsering, strålningsbelastning, allvar, och förspänning på bultarna som säkrar systemet, in i modellen, och resultaten ser mycket lovande ut. "

Bygga upp ett mål 101

Forskare vet att livet i labbet är fullt av upp- och nedgångar, pyssla och revidering. Det som ursprungligen började som ett guld, vattenkyld stång har utvecklats till en segmenterad och finnad, strålningskyld, volframapparat som uppfyller projektmålen. Forskare, forskare, ingenjörer och analytiker har tittat på mer än 35 måldesigner genom åren.

Forskarna förblir oförskämda när de nu står inför den senaste utmaningen - att faktiskt bygga produktionsmålet.

"Volfram är svårbearbetad. Du kan inte skära den med en svarv. Du kan inte såga den. Den måste slipas eller elektrodurladdas, "Sa Pushka. Han noterar att det finns minst tre eller fyra entreprenörer i Chicagoland -området, och mer bortom, som kan utföra detta invecklade arbete.

Werkema och Pushka uppskattar att målet kommer att ta 12 veckor att tillverka och ytterligare 12 veckor att montera och anpassa till strålen. Sedan, efter att Mu2e -konstruktionen är klar 2022, det finns ytterligare ett år med installation, mätningar och kalibrering krävs innan experimentet körs 2023.

"Det känns som en lång tid kvar, men det verkar som ingen tid alls när man tänker på att de första mönstren gjordes i slutet av 1990 -talet. Just nu, det känns som att vi avslutar eftersom vi övervann alla dessa konstruktions- och designutmaningar, och nu dyker det upp nya saker och installeras varje vecka. Du kan faktiskt se utvecklingen, "Säger Werkema.

"Jag har arbetat med många experiment på Fermilab, "Sade Pushka." Mu2e är den svåraste, det svåraste experimentet jag någonsin har arbetat med, och Jag tror, som vi någonsin har försökt dra av. Det är extremt svårt ur vetenskaplig och teknisk synvinkel. "

Det verkar som att forskarna, tills vidare, är i mål för att upptäcka ny fysik genom Mu2e.