Si sono da poco concluse le operazioni che hanno portato a un nuovo importante traguardo per Mu2e, esperimento che, grazie anche al determinante contributo italiano dell’INFN, è in fase di costruzione al Fermi National Accelerator Laboratory di Chicago, negli Stati Uniti: a fine settembre, infatti, nella sala sperimentale del Muon Campus, è stata completata con successo l’installazione del calorimetro elettromagnetico del rivelatore.
“È un traguardo molto significativo per tutta la collaborazione scientifica, e in particolare per il gruppo italiano, che ha avuto un ruolo centrale nella progettazione e nella costruzione di questo rivelatore, mettendo in campo competenze tecniche e scientifiche fondamentali”, sottolinea Stefano Di Falco, ricercatore della sezione INFN di Pisa responsabile nazionale di Mu2e. “Come gruppo INFN siamo orgogliosi del lavoro che abbiamo svolto, grazie anche al supporto del nostro Istituto: questo importante traguardo rappresenta un passo fondamentale verso la piena operatività a lungo termine del nostro esperimento”.
Mu2e è un esperimento in fase di costruzione al Fermilab il cui obiettivo scientifico è contribuire alla ricerca di nuova fisica oltre il Modello Standard cercando le prove di un processo raro ancora mai osservato: la trasformazione in elettrone di un muone – una particella simile all’elettrone ma 200 volte più pesante. Osservare questo processo, ricercato fin dagli anni ’40 del secolo scorso, sarebbe una scoperta di grande impatto perché darebbe indicazione dell’esistenza di nuove particelle o nuove forze della natura oltre a quelle contemplate nel Modello Standard.
L’obiettivo scientifico di Mu2e è migliorare di quattro ordini di grandezza la sensibilità attuale, per esplorare scale di massa fino a migliaia di TeV/c². Per raggiungere questo traguardo, sarà necessario produrre muoni negativi e fermarne circa 10¹⁸ su un bersaglio di alluminio, utilizzando una linea di fascio dedicata lunga 25 metri, composta da tre magneti superconduttori. Mu2e sfrutterà l’acceleratore Booster del Fermilab che accelererà fino a 8 GeV i protoni necessari alla produzione dell’intenso fascio di muoni, il quale sarà indirizzato verso il rivelatore di Mu2e. Quest’ultimo è sostanzialmente composto di due sotto-rivelatori: uno spettrometro magnetico che analizza la quantità di moto delle particelle, e un calorimetro elettromagnetico che ne ricostruisce l’energia.
Il calorimetro di Mu2e appena installato è composto da due anelli, ciascuno contenente 674 cristalli di ioduro di cesio (CsI) puro, letti da due fotomoltiplicatori al silicio per cristallo, connessi a un’elettronica analogica veloce e a un sistema di lettura digitale appositamente sviluppati. Il rivelatore offre prestazioni eccellenti in termini di risoluzione energetica e temporale, ed è progettato per operare in condizioni estreme, caratterizzate da un’elevata intensità di particelle e da requisiti stringenti di funzionamento in vuoto in presenza di un campo magnetico di 1 Tesla e in un ambiente ad alta radiazione.
Combinando l’eccellente risoluzione temporale ed energetica del calorimetro con la precisione nella misura della quantità di moto e del tempo offerta dal tracciatore, Mu2e punta a identificare in modo inequivocabile gli elettroni prodotti dalla conversione di muoni catturati in atomi di alluminio.
“Misurare la conversione del muone in elettrone, processo mai osservato fino ad oggi, costituirebbe una chiara evidenza di violazione del numero leptonico di sapore, un fenomeno non previsto dal Modello Standard delle particelle elementari. La sua eventuale osservazione aprirebbe la strada a nuove teorie capaci di estendere il quadro teorico attuale, facendo luce su aspetti ancora inesplorati delle leggi fondamentali della fisica delle particelle”, commenta Stefano Miscetti, ricercatore dei Laboratori Nazionali di Frascati, responsabile tecnico del calorimetro e coordinatore internazionale della collaborazione scientifica Mu2e”.
Il calorimetro è frutto del lavoro congiunto dei Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN e delle sezioni INFN di Pisa, Lecce e Trieste, in collaborazione con il gruppo del laboratorio di Dubna e dell’Università di Caltech. La sua realizzazione, durata otto anni, si è conclusa nel giugno 2025. Entro la fine dell’anno, anche il tracciatore di Mu2e raggiungerà il calorimetro nella sala sperimentale. L’integrazione con il sistema di magneti superconduttori e con la copertura di scintillatori per il veto dei raggi cosmici è prevista nel corso del 2026. Dopo un’ultima fase di collaudo, l’esperimento sarà pronto, nella seconda metà del 2027, a ricevere l’intenso fascio di muoni prodotto dall’acceleratore. Già nelle prime settimane di presa dati, Mu2e sarà in grado di migliorare di almeno un ordine di grandezza la sensibilità nella ricerca del raro processo di conversione muone-elettrone.
