Konstruktionen av Mu2e-experimentet vid energidepartementets Fermilab har nått en viktig milstolpe. En avgörande del av magneter för experimentet, inklusive komponenter från Italien, Japan och USA, har klarat de rigorösa tester som krävs för att säkerställa att varje enskild magnet uppfyller den prestanda som krävs för experimentet.

De där magneterna, del av en sektion som kallas transportsolenoiden, kommer att sättas ihop till en ny del av Mu2e-projektet. Mu2e-projektet har nått 80 % slutförande totalt, enligt Mu2es projektledare Ron Ray.

När den är i drift, Mu2e-experimentet kommer att nå 10, 000 gånger känsligheten hos tidigare experiment som letade efter direkt omvandling av en myon till en elektron för att testa en av de grundläggande symmetrierna i partikelfysik.

Varför muoner?

Myoner kan vara nyckeln till att reda ut ett förvirrande mysterium inom partikelfysik. Mysteriet härrör från standardmodellen, eller, mer exakt, hålen i standardmodellen.

Under senare hälften av 1900-talet, forskare utvecklade vad som har blivit känt som standardmodellen för fysik. Modellen relaterar tre av de fyra grundläggande krafterna - den elektromagnetiska, den svaga och den starka kraften — till varandra. Den klassificerar också alla kända elementarpartiklar.

Men från början, Standardmodellen har lämnat vissa fenomen oförklarade. Det inkluderar inte universums fjärde kraft, allvar, Det tar inte heller upp den accelererande expansionen av universum på grund av mörk energi eller förekomsten av mörk materia.

Så var kommer myoner in?

I standardmodellen, muonen, tillsammans med elektronen och tau, är i en familj av partiklar som kallas leptoner. Varje lepton har en partnerpartikel som kallas neutrino:myonneutrino, elektronneutrino och tau-neutrino. Till skillnad från sina partners, neutriner saknar elektrisk laddning. Forskare har observerat neutriner som förvandlas mellan sina tre typer, och de har anledning att tro att de laddade leptonerna kan göra detsamma. Allt de behöver är rätt typ av experiment för att ta reda på det.

Rätt sorts experiment

Det är där Mu2e kommer in.

Experimentet är ungefär en tredjedel av en fotbollsplans längd och kommer att vara 10, 000 gånger mer exakt när det gäller att leta efter denna myon-till-elektron-omvandling än en liknande, tidigare experiment kallat SINDRUM II. En av de viktigaste skillnaderna från tidigare experiment är Mu2es system med tre supraledande magnetsystem:produktionssolenoiden, transportsolenoiden och detektorsolenoiden.

Produktionssolenoiden är där myonerna skapas. En stråle av protoner träffar ett mål, och interaktionen producerar så småningom myoner. Med hjälp av magneter, dessa myoner spiralerar sedan ner i den S-formade transportsolenoiden.

Transportsolenoiden, en kritisk del av experimentupplägget, är uppdelad i två halvor. Myoner färdas nerför den första halvan av den kurviga korridoren, där de separeras genom avgift. Vid solenoidens mittpunkt, de möter en speciell anordning som tillåter endast negativt laddade myoner att passera till den andra krökta sektionen. De negativa myonerna lämnar sedan transportsolenoiden och går in i nästa stora magnet, detektorns solenoid. Där, de stannar i ett andra mål.

Det är vid denna tidpunkt som magin händer – kvantmekanikens magi.

När en negativ myon träffar ett mål, bara en av två saker kan hända enligt standardmodellen:Antingen fångas myonen av kärnan, ändra en proton till en neutron och lämna kvar en neutrino, eller myonen sönderfaller, sänder ut en elektron och två neutriner.

Men Mu2e letar efter ett tredje alternativ:omvandlingen av en muon till endast en elektron, utan sällskap av de vanliga neutrinopartnerna. Observationen av denna process skulle bryta standardmodellen vidöppen, demonstrerar att en laddad lepton kan omvandlas direkt till en annan - en teoretiserad process som ingen någonsin har sett.

"Det vi gör på Fermilab är ren forskning, och vi försöker berika den mänskliga upplevelsen genom att hjälpa människor att förstå universum och världen vi lever i, "Sa Ray. "Och i slutändan vad det här handlar om är att försöka komplettera bilden av standardmodellen genom att fylla i några hål som vi vet finns."

Konstruktion av transportsolenoiden

Att få allt att hända är ännu svårare än det låter, och transportsolenoiden är en viktig del av experimentets design, gör det möjligt för den att vara tillräckligt känslig för att observera detta sällsynta fenomen, om det finns. Transportsolenoiden föreslogs först för decennier sedan för att ta itu med begränsningarna i tidigare myon-till-elektronomvandlingsexperiment. Fermilab är den första att till fullo förverkliga denna nya idé.

Men först måste alla delar komma ihop.

Nyligen, Mu2e tog emot och testade de sju supraledande enheterna som utgör den första delen av transportsolenoiden. rigorösa tester av de enskilda enheterna, som tillverkades inom industrin, säkerställer att de uppfyller de prestanda som krävs för experimentet.

"För detta projekt, vi samarbetar med industrier utspridda över hela världen, sa Vito Lombardo, Mu2e-ansvarig för transportsolenoiderna. "De supraledande kablarna, byggstenarna i dessa magneter, kom från Japan, de supraledande enheterna som bildar de S-formade magneterna tillverkas i Italien och testas på Fermilab, medan kryostater och termiska sköldar, enheterna som hjälper till att hålla magneterna kalla, kommer från USA."

Fermilab koordinerar detta globala partnerskap.

Om planeringen som krävdes för experimentet inte var tillräckligt komplicerad, solenoidens S-form gör det mer så:Varje magnetenhet är unik. Detta innebär att magneterna inte bara måste monteras i en specifik ordning utan att experimentet inte kan förlita sig på reservdelar.

"De har en väldigt rolig form, " förklarade Karie Badgley, en av forskarna som arbetar med Mu2e. "Du kan inte bara beställa dem som med andra magneter, speciellt med de snäva toleranser vi kräver."

De rigorösa testerna som Fermilab genomgår var och en av dessa magneter tar cirka fyra månader.

"Det har varit mycket stort, viktiga steg, ", sa Badgley. "Det är därför det är så spännande att den här första halvleken nästan är klar. Vi kan äntligen börja sätta ihop det och se hela magnetaspekten av uppströmssektionen samlas."

Med de sju magneterna som utgör den första halvan av transportsolenoiden accepterade, teamet håller redan på att sätta ihop avsnittet. Under tiden, testet på magneterna för den andra sektionen startar.

Bygget av Mu2e förväntas slutföras 2023, och experimentet kommer att vara redo att börja ta fysikdata strax efter.