Esperimento Muon g−2 e Esperimento Mu2e

Gruppo di lavoro

• Prof. Antonio Gioiosa (Università degli Studi del Molise).

Descrizione

Esperimento Muon g−2 di fisica delle particelle al Fermilab misura il momento di dipolo magnetico anomalo di un muone con una precisione di 0,14 ppm (parti per milione), sarà un test fondamentale per testare il modello standard e fornire la prova dell’esistenza o meno di particelle completamente nuove.

Il muone, come l’elettrone, agisce come un magnete rotante. Il parametro noto come “fattore-g” indica quanto è forte il magnete e la velocità della sua rotazione. Il valore di g è leggermente maggiore di 2, da cui il nome dell’esperimento. Misurando g−2 con alta precisione sarà possibile confrontarlo con il suo valore teorico. Qualsiasi deviazione indicherebbe la presenza di particelle subatomiche non ancora scoperte che esistono in natura.

I muoni vengono prodotti in gran numero da un acceleratore e iniettati all’interno dell’anello di accumulazione magnetico di Muon g-2, del diametro di 15 metri, dove circolano migliaia di volte con velocità prossima a quella della luce. All’interno dell’anello di Muon g-2, il momento magnetico dei muoni acquista un moto di precessione attorno alla direzione del campo magnetico. L’esperimento misura con altissima precisione la frequenza di questo moto di precessione dei muoni.

Esperimento Mu2e, in fase di costruzione presso il Fermilab, ricercherà la conversione diretta di un muone in elettrone, senza la produzione di neutrini, in presenza di un nucleo di Alluminio. Questo processo viola la conservazione del “sapore leptonico” del Muone ed è per questo vietato dal Modello Standard. L’osservazione, anche di pochi segnali, fornirebbe una chiara indicazione di nuova fisica.

L’apparato sperimentale è costituito da un sistema di tre magneti superconduttori solenoidali: il solenoide di produzione; quello di trasporto ed infine quello per i rivelatori. Il solenoide dei rivelatori ospita il bersaglio di alluminio per i muoni. I 10⁹ 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 in orbita emettendo un elettrone, un neutrino e un anti-neutrino. Nel 60% dei casi avvengono processi di cattura nucleare che originano un fondo di protoni, fotoni e neutroni. Nel raro caso di conversione, un muone si trasforma in un elettrone con un’energia pari alla massa a riposo del muone.

Impatto

Esperimento Muon g−2

Quattro periodi di acquisizione dei dati (Run-1, Run-2, Run-3 e Run-4) sono stati completati ed il Run-5 è attualmente in corso. I risultati dell’analisi dei dati Run-1 sono stati annunciati e pubblicati il 7 aprile 2021. I risultati combinati di Fermilab e Brookhaven (l’esperimento della ultima precedente misura dle g-2) mostrano una differenza con la teoria con una significatività di 4.2 sigma, un po’ meno dei 5 sigma richiesti per rivendicare la scoperta di nuova fisica, considerando però che la possibilità che la deviazione osservata sia dovuta ad una fluttuazione statistica è di circa 1 su 40.000.

Esperimento Mu2e

Mu2e è stato disegnato per migliorare di 10000 volte la sensibilità degli esperimenti attuali e poter rivelare il processo di conversione diretta di un muone in elettrone, senza la produzione di neutrini, in presenza di un nucleo fino ad una probabilità di 10^-16. Diversi modelli di nuova Fisica prevedono processi di conversione a questi livelli di probabilità.

La difficoltà principale dell’esperimento risiederà nell’estrema rarità del processo ed è quindi necessario produrre un’enorme quantità di muoni, circa 10¹⁸ in tre anni.