Muonii – particule elementare din Modelul Standard – s-ar putea transforma in electroni; cel putin asa sustin anumite teorii. Pana la ora actuala insa nimeni nu a vazut o astfel de transformare! Experimentul Mu2e de la Fermilab in SUA are obiectivul ambitios de a imbunatati precizia acestei vanatori de 10.000 de ori! 

Modelul Standard al fizicii particulelor elementare explica excelent ceea ce se intampla cu materia „normala” – cea din care suntem facuti noi, stelele sau ecranul de pe care cititi acest articol. Nu explica insa o serie de „mistere” ale Universului – precum materia si energia intunecate sau daca exista o versiune cuantica a gravitatiei. Din acest motiv au fost propuse mai multe teorii „dincolo” de Modelul Standard. Daca aceste teorii sunt valabile ar trebui sa masuram o serie de procese care nu pot avea loc in cadrul Modelului Standard. Printre acestea se numara si asa-numita transformare a muonilor in electroni, in mod direct! Muonii sunt particule din a doua familie a Modelului Standard – un fel de electroni (pentru ca au aceeasi sarcina electrica si multe alte proprietati asemanatoare) cu masa insa de circa 200 de ori mai mare!

Muonii au o viata relativ scurta – traiesc circa doua microseconde, motiv pentru care pentru a-i studia se pot folosi ori razele cosmice care ii produc in atmosfera ori acceleratoarele de particule.

Atat muonii cat si electronii sunt insotiti in Modelul Standard in familia leptonilor de catre neutrini – muonici si electronici. Pentru neutrini a fost observat un proces cuantic extrem de interesant: asa-numita oscilatie a neutrinilor – adica transformarea unui neutrino de un anumit tip intr-unul de alt tip. De exemplu un neutrino muonic se transforma intr-un neutrino electronic (sau de tip tau – intrucat mai exsista si a treia particula in familia leptonilor: tau, insotita de neutrino tau).

Daca asa stau lucrurile s-ar putea sa oscileze si electronii si muonii! Acest proces nu poate fi justificat insa in  cadrul Modelului Standard si din acest motiv mai multe experimente incearca sa vaneze o astfel de transformare!

Un experiment care va incerca sa masoare astfel de transformari ale muonilor in electroni este Mu2e de la laboratorul Fermilab in SUA. Muonii sunt produsi in cadrul unui accelerator, transportati si studiati in experimentul  Mu2e. Cand muonii cu sarcina electrica negativa ajung la tinta din cadrul experimentului pot avea loc doua procese in cadrul Modelului Standard: muonul este capturat  de catre nucleu, transformand un proton intr-un neutron, proces in cadrul caruia ia nastere si un neutrino muonic, sau muonul se poate dezintegra, emitand un electron si doi neutrini. Ar mai putea insa exista un al treilea proces – cel interesant, vanat de catre experiment: transformarea unui muon intr-un electron, fara nici un neutrino! Ar fi o revolutie – care ne-ar arata ce fel de teorie s-ar putea gasi dincolo de Modelul Standard.

Mu2e are capacitatea de a efectua masuratori de mare precizie – o precizie de zece mii de ori mai mare decat experimentele de pana acum!

Intrega structura a experimentului – de la accelerator la detector – este construita in mod special si sunt folositi magneti superconductori care au o geometrie deosebita si sunt construiti intr-o colaborare internationala, intre Italia, Japonia si Statele Unite ale Americii.

Recent, primii sapte magneti, fiecare cu o geometrie specifica, magneti care fac parte din linia de transport a solenoidului, au fost testati cu succes. Va urma asamblarea acestora, impreuna cu testarea si asamblarea partii a doua a liniei de transport. Intre timp pana la sfarsitul lui 2023 va fi finalizata constructia detectorului Mu2e – un sistem complex care este compus din mai multe tipologii diverse de detectoare de particule cu performante deosebite. In 2024, daca totul merge bine, experimentul va fi gata de achizitionat date, pentru a vana transformarea muonilor direct in electroni. 

Va fi extrem de interesant de vazut daca acest proces va fi descoperit sau, dimpotriva, se vor imbunatati doar limitele pe care le impunem procesului si deci inclusiv limitele asupra modelelor teoretice care prevad existenta acestei transformari.

 

Articol scris de Cătălina Oana Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi colaborator al Scientia.ro