Nuova tecnica per tracciare le conversioni dei muoni

Il processo di trasformare un muone in un elettrone in un campo nucleare è un modo potente per cercare un fenomeno chiamato Violazione del Gusto dei Leptoni Carichi (CLFV). Recenti progressi nella tecnologia hanno reso più facile la ricerca di questo, specialmente grazie a migliori progetti per le linee di fascio di muoni e Rilevatori di tracciamento avanzati che possono misurare la quantità di moto in modo molto preciso. Tuttavia, questi rilevatori affrontano limitazioni causate da come gli elettroni si disperdono e perdono energia nei materiali utilizzati nei rilevatori.

Per affrontare queste sfide, i ricercatori stanno proponendo un nuovo modo per tracciare le particelle usando un metodo chiamato ricostruzione di tracciati olografica. Questo metodo si basa sulla radiazione di sincrotrone emessa dagli elettroni. È simile a una tecnica conosciuta come Spettroscopia di Emissione di Radiazione di Ciclotrone (CRES), che ha mostrato ottimi risultati per misurare elettroni a bassa energia. La nuova tecnica si concentra sulla misurazione della frequenza di ciclotrone, dove la luce emessa dagli elettroni può essere rilevata sulla superficie interna di un magnete speciale.

Il Modello Standard della fisica delle particelle include le idee di numero di leptoni e conservazione del gusto. Questi concetti non sono verità fondamentali, e la teoria che spiega perché esistono non è ancora completamente formata. Osservare le oscillazioni dei neutrini supporta l'idea che i neutrini abbiano massa e indica che può verificarsi una violazione del gusto dei leptoni, il che significa che il CLFV è un'area di grande interesse per gli scienziati che vogliono saperne di più sulla fisica oltre il modello attuale.

Gli esperimenti attuali focalizzati sulle conversioni dei muoni sono significativi tra le indagini sul CLFV. Questi esperimenti possono produrre stati finali puliti costituiti solo da elettroni e fotoni, permettendo ai ricercatori di condurre ricerche quasi senza rumore di fondo utilizzando forti sorgenti di muoni. Questo documento discute l'identificazione sperimentale delle conversioni dei muoni, delineando i suoi vantaggi e le complessità coinvolte. Il processo inizia con muoni negativi catturati da un materiale bersaglio, creando atomi muonici che alla fine decadono al loro stato fondamentale.

Nel Modello Standard, determinati processi come il decadimento nell'orbita atomica o la cattura nucleare del muone possono verificarsi. Nel decadimento, un muone si trasforma in un elettrone e neutrini, mentre la cattura nucleare del muone implica un muone che si fonde con un nucleo per creare neutrini. Nel caso della conversione del muone, un elettrone è prodotto senza neutrini, e questo elettrone ha un'energia specifica determinata dall'energia di legame del muone e dall'energia di rinculo del nucleo.

Recenti progressi sperimentali hanno reso possibile per esperimenti futuri come Mu2e e COMET migliorare significativamente la sensibilità alla conversione. Un fascio pulso, una nuova linea di fascio di muoni progettata e moderni rilevatori di tracciamento a bassa massa contribuiscono a una risoluzione di quantità di moto notevole. Questa eccellente risoluzione è fondamentale per migliorare la sensibilità perché aiuta a sopprimere il rumore di fondo degli elettroni decaduti che aumenta con l'intensità del fascio di muoni.

Mentre gli esperimenti attuali utilizzano rilevatori di tracciamento a bassa massa all'interno di un campo magnetico per tracciare la traiettoria degli elettroni emessi, le loro prestazioni sono limitate dalla perdita di energia all'interno dei materiali. Gli sforzi in corso mirano a ridurre il budget di materiale di questi rilevatori, ma la perdita di energia stocastica rimane un problema significativo, disperdendo il segnale e aumentando il rumore di fondo.

Il metodo proposto di utilizzare la radiazione di sincrotrone dagli elettroni emessi consente la ricostruzione dell'energia senza la necessità di materiali di tracciamento, riducendo così gli effetti della perdita di energia. Questa tecnica implica la misurazione della frequenza di ciclotrone degli elettroni rilevando i fotoni della radiazione di sincrotrone visibile su un rilevatore fotosensibile all'interno di un magnete. Misurando accuratamente il tempo e la posizione di questi fotoni, i ricercatori possono ricostruire traiettorie tridimensionali degli elettroni.

Questo metodo presenta alcune somiglianze con l'esperimento Project 8 che utilizza CRES per misurare elettroni a bassa energia, ma l'implementazione è piuttosto diversa. I ricercatori si concentreranno sull'alluminio per i loro esperimenti, utilizzando alluminio muonico per dimostrare la nuova tecnica. Gli elettroni ad alta energia emettono radiazione di sincrotrone quando vengono accelerati in un campo magnetico, un effetto ben noto nella ricerca scientifica.

I ricercatori immaginano elettroni di conversione da muoni confinati all'interno di uno spazio cilindrico influenzato da un campo magnetico costante. Questi elettroni seguiranno percorsi elicoidali lungo le linee del campo magnetico. La radiazione di sincrotrone emessa ha uno spettro continuo, con potenza massima a una frequenza critica determinata dall'angolo di inclinazione tra il movimento dell'elettrone e il campo magnetico.

La natura della radiazione di sincrotrone è cruciale per il nuovo approccio sperimentale. Con elettroni ad alta energia, la radiazione emessa si sposta nell'intervallo ottico/UV, rendendo possibile utilizzare rilevatori ottici per le misurazioni. La natura altamente direzionale della luce emessa consente ai ricercatori di tracciare la traiettoria dell'elettrone all'interno di un campo magnetico in vuoto, facilitando la ricostruzione precisa dell'energia.

A differenza del Project 8, dove la radiazione è focalizzata su una banda di frequenze RF nitida, la radiazione di sincrotrone si diffonde su una varietà di frequenze. I ricercatori danno priorità alla misurazione della frequenza di ciclotrone e all'analisi della distribuzione temporale e spaziale della radiazione. Colpi di fotoni singoli dalla traiettoria dell'elettrone verranno registrati, creando essenzialmente un "ologramma" del suo movimento.

Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori simulano i parametri del rilevatore, assicurandosi di considerare geometria, tempi, risoluzione spaziale ed efficienza quantistica. Impostano condizioni iniziali per gli elettroni e modellano i loro percorsi all'interno del campo magnetico, ignorando le perdite di energia poiché sono minime. La simulazione implica generare il numero previsto di fotoni rilevati in base alle caratteristiche della radiazione di sincrotrone e all'efficienza del rilevatore.

Attraverso la simulazione, i ricercatori mirano a calcolare le direzioni dei fotoni emessi, determinando i loro punti di intersezione con il rilevatore. Considerano errori nel tempo e nella posizione, riflettendo le capacità di prestazione del rilevatore. Compilando i dati sui colpi di fotoni da vari tracciati di elettroni, creano una disposizione combinata di tracce simultanee.

Il processo di ricostruzione inizia richiedendo un numero minimo di fotoni rilevati per garantire un equilibrio tra risoluzione ed efficienza. Utilizzando tecniche come la trasformata di Hough, ottengono stime iniziali per i parametri del tracciato, che perfezionano ulteriormente utilizzando metodi di adattamento della massima verosimiglianza.

I test mostrano risultati promettenti con alte percentuali di accettazione per i tracciati identificati, in particolare quando si separano i segnali dal rumore di fondo. La simulazione prevede una risoluzione energetica impressionante per il nuovo metodo di rilevamento, superando le tecnologie attuali e mostrando un grande potenziale per la prossima generazione di esperimenti.

Il metodo proposto della radiazione di sincrotrone dovrebbe superare i rilevatori esistenti, consentendo l'esplorazione di target pesanti e permettendo la costruzione di migliori capacità di esclusione del fondo. Combinando i tradizionali rilevatori di tracciamento con il nuovo metodo si può migliorare la risoluzione energetica e facilitare l'identificazione dei segnali negli esperimenti.

In conclusione, la capacità di misurare le energie degli elettroni attraverso la radiazione di sincrotrone potrebbe portare a significativi avanzamenti nella ricerca sulla Violazione del Gusto dei Leptoni Carichi. Minimizzando gli effetti della perdita di energia e utilizzando un approccio di misurazione non distruttivo, i ricercatori stanno aprendo la strada a una comprensione più efficace della fisica fondamentale e dei suoi misteri.