Muonii – particule elementare din Modelul Standard – s-ar putea transforma în electroni; cel puţin aşa susţin anumite teorii. Până la ora actuală însă nimeni nu a văzut o astfel de transformare! Experimentul Mu2e de la Fermilab în SUA are obiectivul ambiţios de a îmbunătăţi precizia acestei vânători de 10.000 de ori!

Modelul Standard al fizicii particulelor elementare explică excelent ceea ce se întâmplă cu materia „normală” – cea din care suntem făcuţi noi, stelele sau ecranul de pe care citiţi acest articol. Nu explică însă o serie de „mistere” ale Universului – precum materia şi energia întunecate sau dacă există o versiune cuantică a gravitaţiei. Din acest motiv au fost propuse mai multe teorii „dincolo” de Modelul Standard. Dacă aceste teorii sunt valabile ar trebui să măsurăm o serie de procese care nu pot avea loc în cadrul Modelului Standard. Printre acestea se numără şi aşa-numita transformare a muonilor în electroni, în mod direct! Muonii sunt particule din a doua familie a Modelului Standard – un fel de electroni (pentru că au aceeaşi sarcină electrică şi multe alte proprietăţi asemănătoare) cu masa însă de circa 200 de ori mai mare!

Muonii au o viaţă relativ scurtă – trăiesc circa două microsecunde, motiv pentru care pentru a-i studia se pot folosi ori razele cosmice care îi produc în atmosferă ori acceleratoarele de particule.

Atât muonii cât şi electronii sunt însoţiţi în Modelul Standard în familia leptonilor de către neutrini – muonici şi electronici. Pentru neutrini a fost observat un proces cuantic extrem de interesant: aşa-numita oscilaţie a neutrinilor – adică transformarea unui neutrin de un anumit tip într-unul de alt tip. De exemplu un neutrin muonic se transformă într-un neutrin electronic (sau de tip tau – întrucât mai există şi a treia particulă în familia leptonilor: tau, însoţită de neutrin tau).

Dacă aşa stau lucrurile s-ar putea să oscileze şi electronii şi muonii! Acest proces nu poate fi justificat însă în cadrul Modelului Standard şi din acest motiv mai multe experimente încearcă să vâneze o astfel de transformare!

Un experiment care va încerca să măsoare astfel de transformări ale muonilor în electroni este Mu2e de la laboratorul Fermilab în SUA. Muonii sunt produşi în cadrul unui accelerator, transportaţi şi studiaţi în experimentul Mu2e. Când muonii cu sarcina electrică negativă ajung la ţintă din cadrul experimentului pot avea loc două procese în cadrul Modelului Standard: muonul este capturat de către nucleu, transformând un proton într-un neutrin, proces în cadrul căruia ia naştere şi un neutrin muonic, sau muonul se poate dezintegra, emiţând un electron şi doi neutrini. Ar mai putea însă există un al treilea proces – cel interesant, vânat de către experiment: transformarea unui muon într-un electron, fără nici un neutrin! Ar fi o revoluţie – care ne-ar arăta ce fel de teorie s-ar putea găsi dincolo de Modelul Standard.

Mu2e are capacitatea de a efectua măsurători de mare precizie – o precizie de zece mii de ori mai mare decât experimentele de până acum!

Întrega structură a experimentului – de la accelerator la detector – este construită în mod special şi sunt folosiţi magneţi superconductori care au o geometrie deosebită şi sunt construiţi într-o colaborare internaţională, între Italia, Japonia şi Statele Unite ale Americii.

Recent, primii şapte magneţi, fiecare cu o geometrie specifică, magneţi care fac parte din linia de transport a solenoidului, au fost testaţi cu succes. Va urma asamblarea acestora, împreună cu testarea şi asamblarea părţii a doua a liniei de transport. Între timp până la sfârşitul lui 2023 va fi finalizată construcţia detectorului Mu2e – un sistem complex care este compus din mai multe tipologii diverse de detectoare de particule cu performanţe deosebite. În 2024, dacă totul merge bine, experimentul va fi gata de achiziţionat date, pentru a vâna transformarea muonilor direct în electroni.

Va fi extrem de interesant de văzut dacă acest proces va fi descoperit sau, dimpotrivă, se vor îmbunătăţi doar limitele pe care le impunem procesului şi, deci, inclusiv limitele asupra modelelor teoretice care prevăd existenţa acestei transformări.

[Articol scris de Cătălina Curceanu, prim cercetător în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional “Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe]

(Credit foto: Vito Lombardo, Fermilab)