La construction de l'expérience Mu2e au Fermilab du ministère de l'Énergie a franchi une étape importante. Une section cruciale d'aimants pour l'expérience, y compris des composants d'Italie, le Japon et les États-Unis, a réussi les tests rigoureux nécessaires pour s'assurer que chaque aimant individuel répond aux performances requises pour l'expérience.

Ces aimants, partie d'une section appelée solénoïde de transport, seront reconstitués pour former une nouvelle partie du projet Mu2e. Le projet Mu2e a atteint 80% d'achèvement dans l'ensemble, selon Ron Ray, chef de projet Mu2e.

Lorsqu'il est opérationnel, l'expérience Mu2e atteindra 10, 000 fois la sensibilité des expériences précédentes recherchant la conversion directe d'un muon en électron pour tester l'une des symétries fondamentales de la physique des particules.

Pourquoi des muons ?

Les muons pourraient être la clé pour percer un mystère déconcertant en physique des particules. Le mystère vient du modèle standard, ou, plus précisément, les trous dans le modèle standard.

Dans la seconde moitié du 20e siècle, les scientifiques ont développé ce qui est devenu le modèle standard de la physique. Le modèle relie trois des quatre forces fondamentales - l'électromagnétique, la force faible et la force forte — l'une à l'autre. Il classe également toutes les particules élémentaires connues.

Mais depuis le début, le modèle standard a laissé certains phénomènes inexpliqués. Il n'inclut pas la quatrième force de l'univers, la gravité, il ne traite pas non plus de l'expansion accélérée de l'univers due à l'énergie noire ou à l'existence de la matière noire.

Alors, d'où viennent les muons ?

Dans le modèle standard, le muon, avec l'électron et le tau, appartiennent à une famille de particules appelées leptons. Chaque lepton a une particule partenaire appelée neutrino :le neutrino du muon, neutrino électronique et neutrino tau. Contrairement à leurs partenaires, les neutrinos manquent de charge électrique. Les scientifiques ont observé des neutrinos se métamorphosant entre leurs trois types, et ils ont des raisons de croire que les leptons chargés pourraient faire de même. Tout ce dont ils ont besoin, c'est du bon type d'expérience pour le découvrir.

Le bon type d'expérience

C'est là qu'intervient Mu2e.

L'expérience est d'environ un tiers de la longueur d'un terrain de football et sera de 10, 000 fois plus précis lorsqu'il s'agit de rechercher cette conversion muon-électron qu'une similaire, expérience précédente appelée SINDRUM II. L'une des principales différences par rapport aux expériences précédentes est le système de Mu2e de trois systèmes d'aimants supraconducteurs :le solénoïde de production, le solénoïde de transport et le solénoïde de détection.

Le solénoïde de production est l'endroit où les muons sont créés. Un faisceau de protons frappe une cible, et l'interaction produit finalement des muons. A l'aide d'aimants, ces muons descendent ensuite en spirale le long du solénoïde de transport en forme de S.

Le solénoïde de transport, une partie critique du dispositif expérimental, est divisé en deux moitiés. Les muons parcourent la première moitié du couloir sinueux, où ils sont séparés par des charges. A mi-chemin du solénoïde, ils rencontrent un dispositif spécial qui permet uniquement aux muons chargés négativement de passer à travers la deuxième section incurvée. Les muons négatifs sortent ensuite du solénoïde de transport et entrent dans le prochain gros aimant, le solénoïde du détecteur. Là, ils s'arrêtent dans une deuxième cible.

C'est à ce moment que la magie opère, la magie de la mécanique quantique.

Lorsqu'un muon négatif atteint une cible, une seule de deux choses peut arriver selon le modèle standard :soit le muon est capturé par le noyau, changer un proton en neutron et laisser un neutrino, ou le muon se désintègre, émettant un électron et deux neutrinos.

Mais Mu2e cherche une troisième option :la transformation d'un muon en un seul électron, sans être accompagné des partenaires neutrinos habituels. L'observation de ce processus briserait grand le modèle standard, démontrant qu'un lepton chargé peut se convertir directement en un autre - un processus théorisé dont personne n'a jamais été témoin.

"Ce que nous faisons au Fermilab, c'est de la recherche pure, et nous essayons d'enrichir l'expérience humaine en aidant les gens à comprendre l'univers et le monde dans lequel nous vivons, " a déclaré Ray. " Et en fin de compte, il s'agit d'essayer de compléter l'image du modèle standard en comblant certains trous dont nous savons qu'ils existent. "

Construction du solénoïde de transport

Faire que tout cela se produise est encore plus difficile qu'il n'y paraît, et le solénoïde de transport est une partie importante de la conception de l'expérience, lui permettant d'être suffisamment sensible pour observer ce phénomène rare, s'il existe. Le solénoïde de transport a été proposé pour la première fois il y a des décennies pour remédier aux limites des précédentes expériences de conversion de muons en électrons. Le Fermilab est le premier à concrétiser pleinement cette idée originale.

Mais d'abord, toutes les parties doivent se réunir.

Récemment, Mu2e a reçu et testé les sept unités supraconductrices qui forment la première partie du solénoïde de transport. Tests rigoureux des unités individuelles, qui ont été fabriqués dans l'industrie, s'assure qu'ils satisfont aux performances requises pour l'expérimentation.

« Pour ce projet, nous collaborons avec des industries dispersées dans le monde entier, " dit Vito Lombardo, Mu2e manager pour les solénoïdes de transport. « Les câbles supraconducteurs, les éléments constitutifs de ces aimants, venu du Japon, les unités supraconductrices qui forment les aimants en forme de S sont fabriquées en Italie et testées au Fermilab, tandis que les cryostats et les boucliers thermiques, les dispositifs qui aident à garder les aimants froids, viennent des États-Unis."

Le Fermilab coordonne ce partenariat mondial.

Si la planification requise pour l'expérience n'était pas assez compliquée, la forme en S du solénoïde le rend encore plus :chaque unité d'aimant est unique. Cela signifie que les aimants doivent non seulement être assemblés dans un ordre spécifique, mais que l'expérience ne peut pas compter sur des pièces de rechange.

"Ils ont une forme très amusante, " a expliqué Karie Badgley, l'un des scientifiques travaillant sur Mu2e. "Vous ne pouvez pas simplement les commander comme vous le feriez avec d'autres aimants, surtout avec les tolérances serrées que nous exigeons."

Les tests rigoureux auxquels Fermilab soumet chacun de ces aimants prennent environ quatre mois.

"Ça a été beaucoup de gros, étapes importantes, " Badgley a déclaré. "C'est pourquoi c'est si excitant que cette première mi-temps soit presque terminée. Nous pouvons enfin commencer à l'assembler et voir tout l'aspect magnétique de la section amont se réunir. »

Les sept aimants constituant la première moitié du solénoïde de transport étant acceptés, l'équipe est déjà en train de monter la section. Pendant ce temps, les tests sur les aimants de la deuxième section démarrent.

La construction de Mu2e devrait se terminer en 2023, et l'expérience sera prête à commencer à prendre des données de physique peu de temps après.