Mu2e

يبحث الفيزيائيون عن انتهاك النكهة منذ أربعينيات القرن العشرين. ^{[ 2 ]} وقد تم إثبات انتهاك النكهة بين النيوترينوات في عام 1998 في تجربة سوبر كاميوكاندي في اليابان. ^{[ 5 ]}

في عام 1989، اقترح الفيزيائيان الروسيان فلاديمير لوباشيف ورشيد دجيلكيباييف تجربةً للبحث عن انتهاك نكهة الليبتون. وقد أُجريت هذه التجربة، التي سُميت MELC، في الفترة من 1992 إلى 1995 في مصنع موسكو للميزون التابع لمعهد البحوث النووية في روسيا، قبل أن تُغلق بسبب الأزمات السياسية والاقتصادية التي كانت سائدة آنذاك. ^{[ 6 ]}

في عام 1997، اقترح الفيزيائي الأمريكي ويليام مولزون تجربة مماثلة في مختبر بروكهافن الوطني . بدأ البحث والتطوير في تجربة MECO في عام 2001، ولكن تم سحب التمويل في عام 2005. ^{[ 6 ]}

يستند مشروع Mu2e إلى تجربة MECO المقترحة في مختبر بروكهافن الوطني، وتجربة MELC السابقة في معهد الأبحاث النووية الروسي. ^{[ 7 ]} بدأت أعمال البحث والتطوير لتجربة Mu2e في عام 2009، واكتمل التصميم المفاهيمي في منتصف عام 2011. ^{[ 3 ]} في يوليو 2012، حصل مشروع Mu2e على الموافقة النهائية (القرار الحاسم الأول) من وزارة الطاقة الأمريكية ، بعد حوالي شهر من المراجعة الأولية. ^{[ 8 ]} صرّح مدير المشروع، رون راي، قائلاً: "لا أعرف أي مشروع آخر حصل على الموافقة بهذه السرعة بعد المراجعة". ^{[ 8 ]} أوصت لجنة تحديد أولويات مشاريع فيزياء الجسيمات التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية بتمويل تجربة Mu2e في تقريرها لعام 2014. ^{[ 9 ]}

بدأ العمل في قاعة الكاشف في 18 أبريل 2015. ^{[ 10 ]} كان من المتوقع في الأصل بدء التشغيل في عام 2019 وظهور النتائج الأولية في عام 2020؛ ^{[ 1 ]} إلا أن المشروع تأخر بشكل كبير، وفي عام 2022، تم تأجيل بدء التجربة إلى عام 2026. ^{[ 11 ]} وقد ساهم تأخر تسليم مغناطيسين من شركة جنرال أتوميكس في تغيير تاريخ البدء. ^{[ 12 ]} ومن المتوقع أن تستمر التجربة لمدة ثلاث سنوات. ^{[ 7 ]}

قد تؤدي التحسينات اللاحقة على الكاشف إلى زيادة حساسية التجربة بمقدار يتراوح بين عشرة أضعاف ومئة ضعف، مما يسمح بدراسة أكثر تعمقاً لأي تحول للبتونات المشحونة قد يتم اكتشافه في التشغيل الأولي. ^{[ 2 ]}

اعتبارًا من فبراير 2024، تم بناء اثنين من الملفات اللولبية للنقل Mu2E ونقلهما من مبنى التجميع الثقيل في فيرميلاب إلى قاعة الكاشف، حيث سيتم الانتهاء من التجميع النهائي.

ستُستخدم عناصر مُعاد استخدامها من مصادم تيفاترون لتوليد وإيصال حزمة بروتونات بطاقة 8 جيجا إلكترون فولت. سيتم استخلاص البروتونات من حلقة التوصيل في مختبر فيرميلاب من خلال عملية استخلاص رنين غير خطية من الدرجة الثالثة، وإرسالها على شكل نبضات إلى هدف التنجستن. ستصطدم هذه البروتونات بعد ذلك بهدف إنتاج التنجستن في الملف اللولبي للإنتاج، مما يُنتج سلسلة من الجسيمات، بما في ذلك البيونات ، التي تتحلل إلى ميونات. سيُنتج مشروع Mu2e ما بين 200 ^{[ 7 ]} و500 كوادريليون (2× ^10¹⁷ إلى 5× ^10¹⁷ ) ميون سنويًا. ^{[ 6 ]} مقابل كل 300 بروتون تصطدم بهدف الإنتاج، سيدخل ميون واحد تقريبًا إلى الملف اللولبي للنقل. ^{[ 7 ]}

سيقوم المجال المغناطيسي البالغ 4.5 تسلا لملف لولبي للإنتاج بتوجيه بعض الجسيمات المنتجة إلى ملف لولبي للنقل مفرغ على شكل حرف S بقوة 2 تسلا، ويتكون من 50 مغناطيسًا كهربائيًا فائق التوصيل منفصلًا ، ^{[ 14 ]} والذي سيقوم بانتقاء الميونات حسب الشحنة والزخم، ونقل الميونات البطيئة المطلوبة إلى الكاشف بعد فترة تأخير زمنية معينة. ^{[ 3 ]}

عند دخولها إلى الملف اللولبي للكاشف، تصطدم الميونات بهدف من الألومنيوم بسمك 0.2 مم تقريبًا (وتتوقف داخله) ، ^{[ 6 ] [ 13 ]} وتدخل مدارات حول النوى داخل الهدف. ^{[ 3 ] [ 10 ]} أي ميونات تتحول إلى إلكترونات دون انبعاث نيوترينوات ستفلت من هذه المدارات وتدخل الكاشف بطاقة مميزة تبلغ 104.97 ميغا إلكترون فولت (وهي كتلة الميون مطروحًا منها طاقة الربط التي تبلغ حوالي 0.5 ميغا إلكترون فولت وطاقة الارتداد النووي التي تبلغ حوالي 0.2 ميغا إلكترون فولت). ^{[ 6 ] [ 15 ]}

يتكون الكاشف نفسه من عنصرين رئيسيين: جهاز تتبع لقياس زخم الجسيمات الخارجة؛ ومقياس حراري كهرومغناطيسي لتحديد تفاعلات الجسيمات التي يجب تسجيلها لمزيد من الدراسة، وتحديد نوع الجسيم الذي مر عبر جهاز التتبع، وتأكيد قياسات جهاز التتبع. ^{[ 15 ]} يشير إلكترون بطاقة تبلغ حوالي 105 ميغا إلكترون فولت إلى أن الإلكترون نشأ من تحول الميون بدون نيوترينو. ^{[ 16 ]}

لتقليل تأثيرها على مسار الإلكترونات قدر الإمكان، يستخدم جهاز التتبع أقل قدر ممكن من المواد. يتكون جهاز التتبع ذو الحجرة السلكية من ألواح من أنابيب معدنية رقيقة للغاية (15 ميكرون) مصنوعة من مادة المايلر، مملوءة بغازي الأرجون وثاني أكسيد الكربون ، وهي أرق أنابيب من نوعها استُخدمت على الإطلاق في تجارب فيزياء الجسيمات. تقوم إلكترونيات مثبتة على طرفي الأنابيب بتسجيل الإشارة الناتجة عن تفاعل الإلكترونات مع الغاز الموجود داخل الأنبوب، مما يسمح بإعادة بناء مسار الإلكترونات. ^{[ 16 ]}