First measurement of the low-momentum negative-muon beam for the muon-to-electron conversion experiment at J-PARC
L'esperimento COMET Fase- ha dimostrato con successo il trasporto di muoni negativi a basso momento attraverso il Solenoide di Trasporto verso l'area sperimentale nel 2023, fornendo il primo benchmark sperimentale delle caratteristiche del fascio e validando i modelli di simulazione nonostante una discrepanza sistematica della resa del 30%.
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Nel mondo subatomico, le particelle di solito seguono un rigido libro di regole: un muone, un cugino pesante dell'elettrone, dovrebbe decadere infine in un elettrone e in alcune particelle invisibili, ma non dovrebbe mai trasformarsi semplicemente in un elettrone mentre si trova fermo all'interno di un atomo. I fisici cercano da tempo una rara eccezione a questa regola, un processo in cui un muone si ferma in un bersaglio metallico e si trasforma direttamente in un elettrone senza che appaiano altre particelle. Se questa trasformazione venisse trovata, frantumerebbe il Modello Standard della fisica delle particelle, l'attuale migliore teoria su come funziona l'universo, e suggerirebbe l'esistenza di forze o particelle interamente nuove. Per catturare questo evento fugace, gli scienziati hanno bisogno di una macchina che possa fornire un tipo molto specifico di fascio: un flusso di muoni carichi negativamente e a lento movimento, accuratamente filtrati e guidati verso un punto di arresto preciso. La sfida è che queste particelle sono difficili da produrre e ancora più difficili da indirizzare, specialmente quando si muovono lentamente.
Presso il Japan Proton Accelerator Research Complex, un team di ricercatori ha recentemente compiuto un passo cruciale verso la costruzione della macchina necessaria per questa ricerca. Hanno condotto la prima prova di un nuovo impianto progettato per catturare e trasportare questi lenti muoni. L'esperimento, noto come Fase-α, non era la ricerca finale della trasformazione stessa, bensì un test ingegneristico vitale per dimostrare che l'impianto potesse effettivamente fornire il fascio che era stato progettato per trasportare. I ricercatori hanno sparato un potente fascio di protoni contro un bersaglio per creare una pioggia di nuove particelle, poi hanno utilizzato un massiccio tunnel magnetico curvo per smistare tra i detriti. Il loro obiettivo era vedere se riuscissero a guidare con successo i lenti muoni negativi attraverso questo tunnel e nell'area sperimentale, dove si sarebbero fermati e avrebbero atteso che la rara trasformazione avvenisse.
Il team ha utilizzato un rilevatore specializzato chiamato Range Counter per contare i muoni che avevano completato il viaggio. Questo dispositivo funziona come una trappola: permette alle particelle cariche di entrare, le rallenta con strati di grafite e le ferma in un blocco di rame. Quando un muone si ferma nel rame, decade infine, emettendo un elettrone poco tempo dopo. Aspettando questo elettrone ritardato, il rilevatore può confermare che un muone si era fermato lì, distinguendolo dal caos di fondo di altre particelle. I ricercatori hanno scoperto di aver effettivamente avuto successo nel trasportare un fascio misurabile di lenti muoni negativi nell'area sperimentale. Il fascio non era uno spruzzo selvaggio di particelle; era concentrato nella regione a basso impulso, il che significa che i muoni si stavano muovendo alle velocità lente richieste per il futuro esperimento.
Il team ha anche mappato la forma del fascio mentre viaggiava attraverso il tunnel magnetico curvo. Hanno scoperto che il fascio non viaggiava in una linea perfettamente dritta o in un cerchio uniforme. Invece, derivava in una direzione specifica, con la resa del fascio che risultava più fortemente soppressa quando il rilevatore veniva spostato verso l'alto rispetto allo spostamento verso il basso. Questo schema corrispondeva alle previsioni della fisica su come le particelle cariche si comportano in un campo magnetico curvo, confermando che le forze magnetiche stavano guidando il fascio esattamente come previsto dai progettisti. I ricercatori hanno confrontato le loro misurazioni reali con una dettagliata simulazione al computer dell'intero processo. Mentre la simulazione prevedeva correttamente la forma generale e il comportamento del fascio, il numero effettivo di muoni contati era circa il trenta per cento superiore a quanto stimato dal computer.
Questa differenza non è un fallimento, ma una scoperta preziosa. Dice agli scienziati che i loro modelli attuali su come queste particelle vengono prodotte e su come interagiscono con i materiali nella linea del fascio sono leggermente incompleti. Il fatto che il fascio sia arrivato affatto, e che il suo comportamento corrispondesse alla fisica attesa del campo magnetico, dimostra che l'impianto è pronto per la fase successiva. L'esperimento ha dimostrato con successo che il complesso sistema di magneti e tunnel può fornire i lenti muoni negativi necessari per la ricerca principale. Con questo primo traguardo stabilito, il team ha ora dati reali per perfezionare i propri modelli informatici, assicurando che, quando l'esperimento su larga scala sarà avviato, sapranno esattamente quanti muoni aspettarsi e dove saranno. Questo test riuscito segna la transizione dalla costruzione della macchina alla comprensione di come essa funzioni, ponendo le fondamenta necessarie per la futura ricerca di nuova fisica.
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