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Mu2e、すなわちミューオンから電子への変換実験は、米国のフェルミ国立加速器研究所で行われている素粒子物理学実験である。 [ 1 ]この実験の目的は、標準模型を超える物理現象、すなわち、多くの理論モデルで起こるニュートリノの放出を伴わないミューオンから電子への変換を特定することである。 [ 2 ] [ 3 ]元プロジェクト共同スポークスパーソンのジム・ミラーは、このプロセスをニュートリノ振動に例えているが、荷電レプトンの場合である。[ 4 ]素粒子物理学の標準模型におけるこのプロセスの発生率は観測不可能なほど小さいため、このプロセスを観測できれば大きな発見となり、標準模型を超える新たな物理現象を示すことになる。[ 2 ]この実験は、これまでのミューオンから電子への変換実験よりも10,000倍感度が高く、有効エネルギーのスケールを最大10,000 TeVまで探査する。[ 2 ]
物理学者たちは1940年代からフレーバー違反を探し求めてきた。 [ 2 ]ニュートリノのフレーバー違反は1998年に日本のスーパーカミオカンデ実験で証明された。 [ 5 ]
1989年、ロシアの物理学者ウラジーミル・ロバシェフとラシッド・ジルキバエフは、レプトンフレーバー違反を探索する実験を提案した。MELCと呼ばれるこの実験は、1992年から1995年までロシアの原子核研究所のモスクワ中間子工場で実施されたが、当時の政治的・経済的危機により中止された。[ 6 ]
1997年、アメリカの物理学者ウィリアム・モルゾンはブルックヘブン国立研究所で同様の実験を提案した。MECO実験の研究開発は2001年に始まったが、2005年に資金提供が打ち切られた。[ 6 ]
Mu2eは、ブルックヘブン国立研究所で提案されたMECO実験と、ロシアの原子核研究所で行われた以前のMELC実験に基づいています。[ 7 ] Mu2e実験の研究開発は2009年に始まり、概念設計は2011年半ばに完了しました。 [ 3 ] 2012年7月、Mu2eは最初の審査から約1か月後に、エネルギー省からクリティカルディシジョン1（5段階のクリティカルディシジョンレベルの2番目）の承認を受けました。 [ 8 ]プロジェクトマネージャーのロン・レイは、「審査後、これほど早く承認を受けたプロジェクトは他に知りません」と述べています。[ 8 ] Mu2e実験への資金提供は、エネルギー省の素粒子物理学プロジェクト優先順位付けパネルが2014年の報告書で推奨しました。[ 9 ]
検出器ホールの起工式は2015年4月18日に行われた。 [ 10 ]当初は2019年に試運転が開始され、2020年には予備的な結果が得られると予想されていたが、 [ 1 ] プロジェクトは大幅に遅延し、2022年には実験開始が2026年になると予測された。[ 11 ] General Atomics からの2つの磁石の納入が遅れたことが、開始日の変更の一因となった。[ 12 ] 実験は3年間実施される予定である。[ 7 ]
検出器の改良により、実験の感度が1～2桁向上し、最初の実験で発見される可能性のある荷電レプトン変換をより詳細に研究できるようになる可能性がある。[ 2 ]
2024年2月現在、2基のMu2E輸送用ソレノイドが製造され、フェルミ国立加速器研究所の重組立棟から検出器ホールに移送されており、そこで最終組立が行われる予定である。
Mu2e装置は長さ92フィート（28メートル）で、3つのセクションから構成されます。[ 10 ]実験の総費用は2億7100万ドルです。[ 13 ]
テバトロン衝突型加速器から再利用された要素を使用して、8 GeV の陽子ビームを生成および供給します。陽子は、フェルミラボのデリバリーリングから非線形第 3 次整数共鳴抽出プロセスによって抽出され、パルスとしてタングステンターゲットに送られます。これらの陽子は、生成ソレノイド内のタングステン生成ターゲットと衝突し、パイオンを含む粒子のカスケードを生成し、パイオンはミューオンに崩壊します。Mu2e は、年間200 京(2×10 17～ 5×10 17 )個のミューオンを生成します。 [ 7 ]生成ターゲットに衝突する 300 個の陽子ごとに、約 1 個のミューオンが輸送ソレノイドに入ります。[ 7 ]
生成ソレノイドの4.5テスラの磁場は、生成された粒子の一部を、50個の独立した超伝導電磁石からなるS字型の2テスラ真空輸送ソレノイドに導きます[ 14 ]。この輸送ソレノイドは、電荷と運動量によってミューオンを選択し、一定時間遅延後に目的の低速ミューオンを検出器に運びます[ 3 ] 。
検出器ソレノイドに入ると、ミューオンは約 0.2 mm の厚さのアルミニウムターゲットに衝突し (内部で停止)、 [ 6 ] [ 13 ]ターゲット内の原子核の周りの軌道に入ります。 [ 3 ] [ 10 ]ニュートリノを放出せずに電子に変換されたミューオンは、これらの軌道から脱出し、104.97 MeV の特性エネルギー (ミューオンの質量から約 0.5 MeV の結合エネルギーと約 0.2 MeV の核反跳エネルギーを差し引いた値) で検出器に入ります。[ 6 ] [ 15 ]
検出器自体は、主に 2 つのコンポーネントで構成されています。1 つは、放出される粒子の運動量を測定するストロー トラッカー、もう 1つは、さらなる研究のために記録する粒子相互作用を特定し、トラッカーを通過した粒子の種類を特定し、トラッカーの測定値を確認する電磁カロリメーターです。 [ 15 ]約 105 MeV のエネルギーを持つ電子は、その電子がニュートリノレス ミューオン変換で発生したことを示します。[ 16 ]
電子の軌道をできるだけ乱さないようにするため、トラッカーはできるだけ少ない材料を使用しています。ワイヤーチャンバートラッカーは、アルゴンと二酸化炭素が充填された厚さ15ミクロンの金属化マイラー製のストローのパネルで構成されており、これは素粒子物理学実験で使用されたストローの中で最も薄いものです。ストローの両端にある電子機器は、電子がストロー内のガスと相互作用したときに発生する信号を記録し、電子の軌道を再構築できるようにします。[ 16 ]
ミューオンから電子へのニュートリノレス変換率は、以前はMEG実験によって2.4×10 −12未満に制限され、さらにスイスのポール・シェラー研究所のSINDRUM II実験によって7×10 −13に制限されました。 [ 5 ] Mu2eの期待感度は5×10 −17で、SINDRUM IIよりも4桁高いため、100京個のミューオンのうち1個が電子に変換されただけでも信号を検出できます。[ 5 ] [ 6 ]
2018年10月現在Mu2eコラボレーションには、6か国の40の機関から240人が参加しました。[ 17 ]このコラボレーションは、共同スポークスパーソンのボブ・バーンスタイン（フェルミラボ）とステファノ・ミセッティ（INFNフラスカーティ）によって主導されています。Mu2eのプロジェクトマネージャーはジュリー・ウィットモア、副プロジェクトマネージャーはカレン・バイラムとポール・ダーウェントです。