Avant Mu2e, il y avait MECO.

Scientifiques, des chercheurs, et les ingénieurs étaient ravis. Ils avaient essayé de réaliser l'expérience Muon to Electron CONversion pendant près de deux décennies sur deux continents, et maintenant, il serait enfin construit au Brookhaven National Laboratory.

Sans se laisser décourager lorsque le projet a été retiré en 2005, ils ont ajusté leurs plans et leurs conceptions pour mener cette expérience révolutionnaire au Laboratoire national de l'accélérateur Fermi à Batavia, Illinois.

L'énigme des muons

Mu2e vise à résoudre un mystère qui a intrigué les expérimentateurs et les théoriciens depuis la découverte du muon en 1936 :les scientifiques n'ont jamais observé un muon se transformer en son cousin plus léger, l'électron, sans émettre également d'autres particules.

L'observation de la conversion directe du muon en électron « fournirait une preuve indubitable de la physique au-delà du modèle standard, " a déclaré le co-porte-parole de l'expérience Jim Miller, un scientifique de l'Université de Boston.

électrons, muons et taus sont des saveurs de particules appelées leptons. Tout comme la fraise, le chocolat et la glace à la vanille ne peuvent pas se transformer l'un dans l'autre, en dépit d'être des saveurs de crème glacée napolitaine, les muons sont apparemment empêchés de se convertir directement en électrons.

Mesurer un tel processus de conversion une fois, encore moins plusieurs fois au cours d'une expérience, n'est pas une mince affaire. Pour observer le signal de conversion muon-électron, Mu2e sera d'environ 10, 000 fois plus puissant que l'expérience SINDRUM II, qui a terminé de collecter des données en 2000 et a été la dernière expérience à rechercher une conversion directe de muon en électron.

Si seulement un sur 100 millions de milliards (10 ¹⁷ ) les muons se transforment en électron, Mu2e le verra.

Produire des pions :l'histoire d'une cible

Avant que cela puisse arriver, les physiciens ont besoin de pions.

L'objectif de production, un matériau soigneusement façonné qui intercepte un faisceau de particules, assume ce travail critique mais difficile. Lorsqu'un faisceau de protons atteint la cible de production fixe, les pions sortent dans toutes les directions et se désintègrent presque immédiatement en muons, qui descend en spirale à travers d'autres composants de l'expérience jusqu'à un détecteur, d'où ils émergent (espérons-le) sous forme d'électrons.

Les composants Mu2e sont fabriqués avec le moins de matière possible car les interactions des particules augmentent avec la quantité de matière dans l'expérience, interférer avec le signal que les chercheurs espèrent observer. Cela a présenté des défis uniques à l'équipe de conception de la cible de production.

Résidant dans une chambre à vide à l'intérieur d'un aimant cylindrique supraconducteur, l'objectif de production est soumis à des conditions extrêmes. Un faisceau de protons bat contre la cible toutes les secondes, faisant augmenter sa température à environ 1, 700 degrés Celsius (3, 092 degrés Fahrenheit), la température subie par les parties les plus chaudes d'une navette spatiale de la NASA rentrant dans l'atmosphère terrestre.

Les chercheurs se sont vite rendu compte que leur conception initiale, une relique de l'expérience MECO, était cher. Trop cher. Une tige d'or enfermée dans une gaine de titane, cette cible devait être refroidie avec de l'eau en circulation via un système élaboré de pompes à eau, buses et autres infrastructures.

"C'est à ce moment-là que certains de nos collègues ont souligné que nous n'avions peut-être pas du tout besoin de refroidir activement la cible, " a déclaré Steve Werkema, gestionnaire de mise à niveau de l'accélérateur pour Mu2e.

Deux modifications :passer à une cible qui dégage de la chaleur toute seule, appelée cible refroidie par rayonnement, et la réduction de la puissance du faisceau de 25 kilowatts à 8 kilowatts, non seulement en économisant de l'argent et en simplifiant l'infrastructure, mais en réduisant également les problèmes de sécurité.

Maintenant, les chercheurs avaient besoin d'un nouvel objectif de production. Pour le matériau cible, ils se sont tournés vers une section du tableau périodique connue sous le nom de métaux réfractaires. Les métaux réfractaires sont avantageux dans des expériences comme Mu2e car ils ont des points de fusion élevés et sont opposés à la corrosion même à haute température.

Les chercheurs ont finalement choisi le tungstène, un lourd, métal dense qui peut résister à des températures élevées et au martèlement brutal par des faisceaux de protons. Cela a décidé, c'était de retour à la planche à dessin, au sens propre.

Revisiter, réviser et répéter

La première cible de tungstène Mu2e ressemblait à une épaisse, long crayon. Six millimètres (environ 0,25 pouces) de diamètre et 160 millimètres (un peu plus de 6 pouces) de long, la tige de tungstène produisait beaucoup de pions.

Le problème? Il n'y avait aucun moyen de soutenir cette structure dans le vide.

Pour résoudre cette énigme, les chercheurs ont attaché des pièces qui ressemblent à des mégaphones aux deux extrémités de la tige. Des rayons en forme de spaghetti suspendaient ces composants dans une structure d'anneau de bicyclette qui sécurise la cible et aide un bras robotique à retirer et à éliminer la cible.

"C'est à ce moment-là que nous avons commencé à découvrir des problèmes que nous devions surmonter, un par un, ", a déclaré Werkema.

Le premier problème rencontré était la corrosion.

Ordinairement, le tungstène est résistant à la corrosion, mais des études ont montré que même la plus petite quantité d'oxygène dans la chambre à vide cause des problèmes aux températures et pressions de Mu2e.

"Pensez-y comme votre voiture. Les ailes rouillent et vous obtenez ces gros morceaux de rouille qui tombent, et bientôt tu n'as plus d'aile, " a déclaré Dave Pushka, ingénieur principal cible de production au Fermilab.

L'objectif de production se corroderait si vite qu'il ne durerait pas un an. Les chercheurs ont amélioré la chambre à vide pour atténuer cet effet. Bien qu'ils anticipent encore une certaine formation d'oxyde de tungstène, cela ne devrait pas suffire à faire échouer rapidement la cible.

Les chercheurs se sont alors demandé :combien de temps un faisceau de protons pouvait-il bombarder la cible avant qu'elle ne tombe en panne à cause du stress et de la fatigue ? Dans une étape importante, Des chercheurs du Rutherford Appleton Laboratory en Angleterre ont développé un prototype de cible et l'ont frappée avec une impulsion électrique jusqu'à ce qu'elle échoue. Ils ont conclu que, au moins à partir de ce mode de défaillance, l'objectif durerait plus d'un an.

Le troisième défi était la température. Les chercheurs craignaient que la cible ne se déforme comme un bâton de beurre lors d'un pique-nique en juillet avant d'atteindre sa durée de vie prescrite (environ 43 semaines de temps de faisceau).

Alors que les protons atteignent la cible de production, l'énergie cinétique se transforme en chaleur, provoquant l'expansion de la cible vers l'extérieur et son affaissement au milieu. Cette instabilité provoque encore plus d'affaissement, comme les rayons qui soutiennent la cible rapprochent ses extrémités, mettre plus de force sur les deux extrémités et faire s'affaisser davantage la cible.

Les gens des deux côtés de l'Atlantique ont travaillé dans une compétition amicale pour développer le meilleur modèle de cible. Finalement, plusieurs éléments de conception, tels que des ressorts reliant les rayons à l'anneau de vélo, ont été introduits pour lutter contre la fatigue et l'affaissement de la cible.

Dans sa version actuelle, la cible ressemble toujours beaucoup à un crayon non taillé. C'est gris, relativement lourd, et 200 millimètres (près de 8 pouces) de long, avec des anneaux cylindriques à chaque extrémité, des ailettes qui dissipent la chaleur du noyau cible et se calent contre l'affaissement et l'espace vide séparant les segments de la tige centrale.

Les nageoires, qui font ressembler la cible à une étoile des extrémités, nécessitent de la finesse pour fonctionner comme prévu sous le dur faisceau de protons.

"Au fur et à mesure que vous ajoutez plus d'ailerons, la surface d'une nageoire ne voit pas des températures plus fraîches. Il voit plutôt une autre nageoire à la même température chaude. Cela signifie qu'il y a des rendements décroissants en termes de structure et de nombre d'ailettes et de dissipation thermique, " a déclaré Pouchka.

Le responsable du projet Mu2e, Ron Ray du laboratoire Fermi, a suggéré que la segmentation du cœur de la cible pourrait améliorer ce problème dépendant de la température. Les chercheurs ont découvert que l'introduction d'espaces entre les courts, des segments cylindriques de tungstène leur permettent d'affiner les températures le long de la cible.

Les gardiens d'une conception de cible optimale

Pendant ce temps, trois équipes d'ingénieurs travaillent pour éliminer autant de surprises que possible lors de la diffusion.

"L'équipe de production cible veut savoir ce qui se passe avec chaque changement de cible ou de faisceau, " a déclaré Kevin Lynch, professeur de physique au York College of the City University of New York et membre de l'équipe de conception de cibles de production Mu2e. "Nos modèles suivent tout, de la production de pions aux conversions muons en électrons en passant par la manière dont l'énergie s'accumule dans les composants tout au long de l'expérience."

Ces calculs indépendants, interprété par l'équipe de Lynch au York College et l'équipe de Bob Bernstein au Fermilab, sont ce avec quoi travaille l'ingénieur senior Ingrid Fang.

Croc, qui travaille au Fermilab depuis plus de deux décennies, applique les calculs de Lynch à la géométrie fournie par Pushka, met en place le modèle, et résout le stress et la température à chaque point de la cible. Les simulations sont si complexes qu'il faut trois jours ou plus à un superordinateur pour résoudre des millions d'équations.

« Nous devons trouver ce point idéal entre la température et le rendement en muons, " dit Croc.

C'est le résultat de Fang qui est étudié par les scientifiques, chercheurs et ingénieurs. C'est le résultat de Fang qui prend ou casse les décisions. C'est le résultat de Fang qui détermine en fin de compte si la cible de production passe à la construction ou retourne à la conception.

"Maintenant, c'est la grande finale, " Fang dit de la conception actuelle. " Nous avons combiné la cible avec sa structure de support et mis toutes les charges, y compris la pulsation du faisceau, charge de rayonnement, la gravité, et pré-tension sur les boulons qui fixent le système, dans le modèle, et les résultats semblent très prometteurs."

Construire une cible 101

Les chercheurs savent que la vie au laboratoire est pleine de hauts et de bas, bricolage et révision. Ce qui a commencé comme de l'or, la tige refroidie à l'eau a évolué en une tige segmentée et à ailettes, refroidi par rayonnement, appareil de tungstène qui répond aux objectifs du projet. Scientifiques, des chercheurs, ingénieurs et analystes ont examiné plus de 35 conceptions cibles au fil des ans.

Les chercheurs restent intrépides alors qu'ils sont maintenant confrontés au dernier défi :en fait, la construction de l'objectif de production.

"Le tungstène est difficile à usiner. Vous ne pouvez pas le couper avec un tour. Vous ne pouvez pas le scier. Il doit être rectifié ou usiné par décharge d'électrode, " a déclaré Pushka. Il note qu'il y a au moins trois ou quatre entrepreneurs dans la région de Chicagoland, et plus au-delà, qui peut effectuer ce travail complexe.

Werkema et Pushka estiment qu'il faudra 12 semaines pour fabriquer la cible et 12 semaines supplémentaires pour assembler et aligner le faisceau. Puis, après la fin de la construction du Mu2e en 2022, il y a une autre année d'installation, mesures et étalonnage requis avant le début de l'expérience en 2023.

"Cela semble être loin, mais il semble que ce ne soit pas du tout le temps si l'on considère que les premiers modèles ont été réalisés à la fin des années 1990. À l'heure actuelle, on a l'impression de finir parce que nous avons surmonté tous ces défis d'ingénierie et de conception, et maintenant, de nouveaux éléments apparaissent et sont installés chaque semaine. Vous pouvez réellement voir les progrès, " dit Werkema.

"J'ai travaillé sur beaucoup d'expériences au Fermilab, " a déclaré Pushka. " Mu2e est le plus dur, l'expérience la plus difficile sur laquelle j'ai jamais travaillé et, Je pense, que nous avons jamais essayé de retirer. C'est extrêmement difficile du point de vue scientifique et technique."

Il semble que les chercheurs, pour l'instant, sont sur la bonne voie pour découvrir une nouvelle physique grâce à Mu2e.