a cura di Raffaella Donghia
L’attenzione del mondo della fisica delle particelle è sempre più focalizzata alla ricerca della cosiddetta Nuova Fisica oltre il Modello Standard (MS), ovvero il modello matematico che descrive tutto quello che sappiamo ad oggi sulle particelle e le loro interazioni. Nonostante il MS sia in grado di descrivere il comportamento dei mattoni fondamentali dell’Universo e delle loro interazioni con enorme precisione, non siamo ancora in grado rispondere ad alcune domande fondamentali. Per esempio: cosa sono la materia oscura e l’energia oscura? Perché siamo fatti di materia e non di antimateria?
L’evidenza di qualcosa oltre il MS potrebbe aiutarci a dare una risposta a queste domande!
In questa direzione, la ricerca dei prossimi decenni sarà concentrata su processi ultra rari, come la conversione diretta del muone in elettrone, che verrà indagata dall’esperimento Mu2e al Fermilab di Chicago.
Il muone è una particella classificata nella famiglia dei leptoni e ha le stesse caratteristiche del ben più noto elettrone, ad eccezione della massa che è circa 200 volte maggiore. Inoltre, a differenza dell’elettrone, è instabile, ossia ha una vita molto breve. Secondo il MS, dopo una frazione di secondo il muone decade emettendo un elettrone, un neutrino ed un anti-neutrino. In questo modo all’inizio e alla fine del processo si conservano sia il numero di leptoni totali sia il sapore leptonico, una caratteristica delle particelle ben descritta dalla fisica quantistica. Secondo altri modelli teorici oltre il MS potrebbe accadere che, oltre a questo decadimento, alcune volte ci sia una conversione diretta del muone in elettrone, se vicino a un nucleo.
Questo processo non è stato ancora mai osservato e violerebbe la conservazione del sapore leptonico. Secondo il MS è praticamente impossibile (probabilità < 10-54) perciò l’osservazione di questo decadimento sarebbe una chiara indicazione di Nuova Fisica!
Gli altri modelli teorici oltre il MS, come Supersimmetria, Leptoquarks, Z', ecc., prevedono questa conversione con una probabilità maggiore: circa 10-16, ovvero equivalente alla probabilità di avere la propria casa sia distrutta da un meteorite e sia colpita da un fulmine nei prossimi 3 mesi!
Quindi la difficoltà principale dell'esperimento risiede nell’estrema rarità del processo. Proprio per questo è necessario produrre un’enorme quantità di muoni, circa 1'000’000'000'000'000'000 in tre anni. Tradotto in termini semplici, tanti muoni quanti sono i granelli di sabbia presenti sulla Terra.
Per produrre questo fascio di muoni molto intenso, si parte da un fascio di protoni ottenuto riutilizzando alcuni elementi del sistema di acceleratori del Tevatron, il vecchio acceleratore del Fermilab ormai in pensione (Figura 1). Più in dettaglio, dal Recycler Ring, passando per l’anello Delivery, pacchetti di protoni vengono estratti e spediti nell'apparato sperimentale di Mu2e.
Figura 1: Sistema di acceleratori del Fermilab
Questo è costituito da un sistema di tre magneti superconduttori solenoidali (Figura 2) : il solenoide di produzione (PS); quello di trasporto (TS) e l’ultimo per i rivelatori (DS). I pacchetti di protoni entrano nel primo solenoide e urtano un bersaglio di Tungsteno. Nell’interazione tra il fascio di particelle ed il bersaglio, vengono prodotti per lo più pioni, particella che decade prevalentemente in muoni, appunto … quelli che ci interessano. Grazie al campo magnetico del PS le particelle vengono “spinte” a entrare nel TS. Solo 1 protone su 100 di quelli che si scontrano con il bersaglio di produzione genera un muone che entra nel TS.
Figura 2: Apparato sperimentale di Mu2e. Da sinistra verso destra, composto da Solenoide di Produzione (PS), Solenoide di Trasporto (TS) e Solenoide dei Rivelatori (DS), per una lunghezza totale di 25 metri.
Questo solenoide è dedito al trasporto dei muoni fino al DS, selezionando solo quelli con carica negativa e a basso impulso. La particolare forma a “S” serve a ridurre il numero di particelle neutre nel DS, le quali non seguono le due curve indotte dal campo magnetico.
Il solenoide dei rivelatori ospita un bersaglio per i muoni, che è costituito da fogli di alluminio molto sottili. Il processo di conversione cercato infatti può avvenire solo in presenza di un nucleo: i 10 miliardi di muoni prodotti ogni secondo vengono fermati nel bersaglio, formando atomi muonici (atomi di alluminio con il muone catturato in orbita). Nel 40% dei casi, il muone decade, emettendo un elettrone, un neutrino e un anti-neutrino. Nel restante 60% dei casi avvengono processi di cattura nucleare del muone che danno origine ad un fondo di protoni, fotoni e neutroni.
Nel raro caso di conversione, un muone in orbita intorno al nucleo di alluminio si trasforma in un elettrone “mono-energetico” (Figura 3), con valore di impulso molto vicino alla massa del muone a riposo: 105 MeV/c.
Figura 3: Topologia del processo di conversione di muone in elettrone. A sinistra, lo stato iniziale con il muone catturato in orbita intorno al nucleo di alluminio. A destra, il singolo elettrone monoenergetico emesso alla fine della conversione.
Il campo magnetico del DS spinge le particelle cariche prodotte dall’interazione tra fascio e bersaglio verso il sistema di rivelatori costituito da un tracciatore a tubi “straw” e un calorimetro a cristalli. Il primo serve a misurare l’impulso delle particelle. Al fine di disturbare il meno possibile il percorso degli elettroni, il tracciatore utilizza il minor materiale possibile. Infatti è costituito da pannelli di cannucce di Mylar metallizzato spesse 15 μm (le cannucce più sottili mai usate in un esperimento di fisica delle particelle), riempite con argon e anidride carbonica.
Attraversato il tracciatore lungo 3 m, le particelle impattano e si fermano sul calorimetro, dove rilasciano la loro energia. Questo è costituito da 2 dischi di cristalli scintillanti letti da fotosensori al silicio (Figura 4).
Combinando le misure di impulso e di energia, rispettivamente del tracciatore e calorimetro, insieme alla misura del tempo di volo tra i due rivelatori, possiamo identificare il tipo di particella.
Inoltre il sistema di rivelatori deve essere molto preciso per poter distinguere il segnale dal fondo.
Figura 4: Disegno ingegneristico del calorimetro elettromagnetico, composto da due dischi di cristalli di CsI
Attualmente la collaborazione Mu2e comprende oltre 250 scienziati di 40 istituzioni da 6 diversi paesi (Stati Uniti, Italia, Gran Bretagna, Germania, Russia, Cina). I ricercatori italiani ricoprono un ruolo chiave nell’esperimento. L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare guida il disegno, la fase di ricerca e sviluppo, e la costruzione del calorimetro elettromagnetico. La ditta ASG Superconductors di Genova ha sviluppato e prodotto i moduli superconduttori per il TS.
Nel 2021 inizierà la fase di installazione di entrambi i rivelatori. L'obiettivo del primo triennio dell'esperimento Mu2e, che partirà dal 2023, è quello di migliorare di 10000 volte la sensibilità dei precedenti esperimenti sullo stesso ambito. Questo vuol dire essere sensibili al processo di conversione anche se solo un muone su 100 milioni di miliardi si converte in un elettrone. Inoltre, per la fine del primo triennio è già in programma una seconda fase dell’esperimento in cui si migliorerà questo valore di altri due ordini di grandezza (x 100)!