뮤투에

Mu2e
Mu2e 프로젝트 로고
Mu2e Transport Solenoid 모듈의 프로토타입
일본 항공기 변종 MU-2E는 미쓰비시 MU-2를 참조한다.

뮤2e(Mu2e) 또는 뮤온-전자 변환 실험(Muon-to-Electron Conversion 실험)은 미국 페르밀랍의 입자물리학 실험이다.[1] 이 실험의 목표는 표준 모델을 넘어서는 물리학, 즉 뮤온의 중성미자 방출 없이 전자로의 변환을 식별하는 것인데, 이는 여러 이론 모델에서 발생한다.[2][3] 프로젝트 공동 연구원인 짐 밀러는 이 과정을 중성미자 진동으로 비유하지만, 충전된 렙톤에 비유한다.[4] 이 과정을 관찰하면 그럴듯한 이론의 범위를 좁히는 데 도움이 될 것이다.[2] 이 실험은 전자 변환 실험에 대한 기존 뮤온보다 1만 배 더 민감하게 반응하게 되며, 탐사 에너지는 최대 1만 TeV까지 스케일링하게 된다.[2]

타임라인

선행작업

물리학자들은 1940년대부터 향미 위반을 찾아다녔다.[2] 중성미자의 맛 위반은 1998년 일본에서 열린 슈퍼카미오칸데 실험에서 입증되었다.[5]

1989년 러시아 물리학자 블라디미르 로바셰프와 라시드 질키바예프는 렙톤 맛 위반을 탐색하는 실험을 제안했다. MELC라고 불리는 이 실험은 1992년부터 1995년까지 러시아 핵 연구소의 모스크바 메손 공장에서 운영되었다가 당시의 정치 경제적 위기로 인해 중단되었다.[6]

1997년 미국의 물리학자 윌리엄 몰존은 브룩헤이븐 국립연구소에 이와 유사한 실험을 제안했다. MECO 실험에 대한 연구 개발은 2001년에 시작되었으나, 2005년에 자금이 회수되었다.[6]

개발

뮤2e는 브룩헤이븐에서 제안된 MECO 실험과 러시아 핵연구소에서의 초기 MEC 실험을 바탕으로 하고 있다.[7] Mu2e 실험을 위한 연구개발은 2009년에 시작되었으며, 개념설계는 2011년 중반에 완료되었다.[3] Mu2e는 초기 검토 후 약 한 달 후인 2012년 7월, 에너지부로부터 Critical Decision 1 승인(5개 중요 의사결정 수준 중 두 번째)을 받았다.[8] 론 레이 프로젝트 매니저는 "검토 후 그렇게 빨리 승인을 받은 다른 프로젝트는 없다"[8]고 단언했다. Mu2e 실험의 자금 지원은 에너지부의 입자물리 프로젝트 우선순위 결정 패널이 2014년 보고서에서 권고했다.[9]

시공 및 운영

검출기 홀에 대한 기공식은 2015년 4월 18일에 이루어졌으며, 2016년 말 완공될 것으로 예상된다.[10] 2019년 실험 위탁이 예상되며 2020년경에는 예비 결과가 가능하다.[1] 이 실험은 3년간 진행될 것으로 예상된다.[7]

나중에 검출기가 개선되면 실험의 민감도가 1~2배 증가하여 초기 실행에서 발견될 수 있는 충전된 렙톤 변환에 대한 보다 심도 있는 연구가 가능해진다.[2]

디자인

뮤2e 실험의 단계

Mu2e 기구는 길이가 92피트(28m)이며, 3개의 부분으로 구성될 것이다.[10] 이 실험의 총 비용은 2억 7100만 달러다.[11]

뮤온 생산

Tevatron 충돌기의 용도 변경 요소는 8 GeV 양성자 빔을 생성하고 전달하기 위해 사용될 것이다. 양자는 페르밀랍의 전달 링에서 비선형 제3정수자 공명 추출 과정을 통해 추출되어 텅스텐 표적에 펄스로 보내질 것이다. 그리고 나서 이 양성자들은 생산 솔레노이드의 텅스텐 생산 목표물과 충돌하여, 뮤온으로 부패하는 피온을 포함한 입자 층을 생성하게 된다. Mu2e는17 매년 200조에서[7] 500조17 사이의 뮤온을 생산할 것이다.[6] 생산 목표물을 타격하는 300개의 양성자마다 약 1개의 뮤온이 이송 솔레노이드로 진입한다.[7]

운송

생산 솔레노이드의 4.5-테슬라 자기장은 50개의 개별 초전도 전자석들로 구성된 S자형 2-테슬라 대피 전송 솔레노이드로 생성되는 입자의 일부를 유도하며,[12] 이 전자석은 충전과 모멘텀으로 선택되며, 원하는 저속 뮤온은 얼마간의 지연 후에 검출기로 운반한다.[3]

탐지

검출기 솔레노이드에 들어갈 때 뮤온은 약 0.2mm 두께의 알루미늄 표적에 부딪혀([6][11]그리고 그 안에서) 표적 내의 핵 주위의 궤도에 진입한다.[3][10] 중성미자를 방출하지 않고 전자로 변환되는 뮤온은 이러한 궤도상에서 벗어나 104.97 MeV의 특성 에너지(무온 질량에서 약 0.5 MeV의 결합 에너지와 약 0.2 MeV의 핵 반동에너지를 뺀 값)로 검출기에 들어간다.[6][13]

검출기 자체는 두 가지 구성 요소로 구성된다. 즉, 나가는 입자의 운동량을 측정하기 위한 밀짚 추적기와 추가 연구를 위해 기록할 입자 상호작용을 식별하고 추적기를 통과한 입자의 유형을 식별하며 추적기의 측정을 확인하기 위한 전자기 열량계로 구성된다.[13] 약 105 MeV의 에너지를 가진 전자는 전자가 중성미자 뮤온 변환에서 발생했음을 나타낼 것이다.[14]

가능한 한 전자의 경로를 방해하기 위해 추적기는 가능한 한 적은 물질을 사용한다. 철사실 추적기는 입자물리학 실험에서 가장 얇은 빨대인 아르곤과 이산화탄소를 채운 금속화된 미라로 15미크론 두께의 빨대로 구성되어 있다. 빨대 양쪽 끝에 있는 전자제품은 전자가 빨대 안의 기체와 상호작용할 때 생성되는 신호를 기록하여 전자의 궤적을 재구성할 수 있게 한다.[14]

민감도

뮤온의 전자로의 중성미자 전환 속도는 이전에 MEG 실험에 의해 2.4−12×10 미만으로 제약을 받았으며, 스위스 폴 셰러 연구소의 신드럼 II 실험에 의해 7×10으로−13 제약을 받았다.[5] 뮤2e는 신드럼 II를 넘어서는 4배인 5×10의−17 예상 감도를 가지고 있는데, 이는 100조 무온 중 1개 정도가 전자로 변환하면 신호를 볼 수 있다는 것을 의미한다.[5][6]

협업

2018년 10월 현재 뮤2e 협업에는 6개국 40개 기관 240명이 참여했다.[15] 이번 협업은 더글러스 글렌진스키(페르밀랍)와 짐 밀러(보스턴대) 공동대표가 주도한다. Mu2e의 프로젝트 매니저는 Ron Ray이고, 프로젝트 매니저는 Julie Whitmore이다.

참고 항목

참조

  1. ^ a b "Mu2e: muon-to-electron-conversion experiment". Fermilab. April 21, 2015. Retrieved 30 April 2015.
  2. ^ a b c d e "Research Goals". Fermilab. March 17, 2015. Retrieved 1 May 2015.
  3. ^ a b c d Glenzinski, Doug (February 2011). "The Mu2e Experiment at Fermilab" (PDF). University of Pennsylvania. Retrieved 1 May 2015.
  4. ^ Piergrossi, Joseph (January 10, 2013). "Midwest muon experiments carry on East Coast legacy". Symmetry Magazine. Retrieved 4 May 2015.
  5. ^ a b c Dorigo, Tommaso (December 3, 2012). "Mu2E: Exploring Lepton Flavour Violation At Fermilab". Science 2.0. Retrieved 4 May 2015.
  6. ^ a b c d e f Mustain, Andrea (June 2010). "The muon guys: On the hunt for new physics". Symmetry Magazine. Retrieved 4 May 2015.
  7. ^ a b c d "How does it work?". Fermilab. March 17, 2015. Retrieved 30 April 2015.
  8. ^ a b Piergrossi, Joseph (July 20, 2012). "Department of Energy advances Fermilab's Mu2e experiment". Symmetry Magazine. Retrieved 4 May 2015.
  9. ^ Jepsen, Kathryn (May 22, 2014). "Proposed plan for the future of US particle physics: The Particle Physics Project Prioritization Panel's report recommends a strategic path forward for US particle physics". Retrieved 4 May 2015.
  10. ^ a b c Kwon, Diana (April 21, 2015). "Mu2e breaks ground on experiment seeking new physics". Fermilab Today.
  11. ^ a b "Mu2e-doc-4299-v15: Mu2e Technical Design Report (TDR)". mu2e-docdb.fnal.gov. Retrieved 2017-01-18.
  12. ^ Salles, Andre (December 16, 2013). "Mu2e attracts magnet experts". Symmetry Magazine. Retrieved 4 May 2015.
  13. ^ a b "Mu2e-doc-8084-v1: The Mu2e Experiment at Fermilab". mu2e-docdb.fnal.gov. Retrieved 2017-01-18.
  14. ^ a b "How to Detect a Rare Particle Decay with a Detector Made of (Almost) Nothing". Newswise. March 3, 2015. Retrieved 4 May 2015.
  15. ^ "Collaboration". Fermilab. 26 October 2018. Retrieved 7 December 2018.

외부 링크