Ricercadiconversionedire-adimuoneinele-roneconl’esperimentoMu2e

StefanoMisce-|Email:stefano.misce-@lnf.infn.itRaffaellaDonghia|Email:raffaella.donghia@lnf.infn.it

Conversionecoerentedimuoneinele-roneLa conversione di muone in ele-rone nel campo di un nucleoatomico è descri-a dalla cinema;ca di un decadimento a duecorpi.Il segnale dis;n;vo è rappresentato da un singolo ele-ronemonoenerge;coemessoconenergialeggermenteinferioredellamassa a riposo delmuone Ee~104.96MeV. Su alluminio la vitamediaèτ=864ns.

Iltracciatore

Iltracciatoreècompostoda~20000strawdriLtubesorganizza;in18stazioni ruotate l’una rispe-oall’altra di 60°. Perme-edi studiare lacurvatura delle tracce ricostruendo così l’impulso delle par;cellecariche.Iforicentraligaran;scanochesoltantopar;celleconimpulso> 95MeV possano essere ricostruite. Per o-enere la risoluzione inmomentonecessaria (150keV/c) lo spessoredegli strawsèdi soli15μm.

Ilcalorimetroele-romagne;co

Il calorimetro ele-romagne;co è cos;tuito daduedischi,ognunocompostodi~700cristallidiioduro di cesio pure (CsI) le[ da duefotomol;plicatorialsilicio(SiPM).La distanza tra i due dischi corrisponde amezzalunghezza d’onda degli ele-roni di conversionepero[mizzarelaloroprobabilitàdiosservazione.

Il calorimetro, ricostruendo l’energia e il tempo, è fondamentale per l’iden;ficazionedelle par;celle e coopera con il tracciatore nella ricostruzione delle tracce.Garan;sceunarisoluzioneenerge;ca(temporale)di~5%(<500ps)a100MeV

Imuoniprovenien;daraggicosmicirappresentanounadeifondi principali per Mu2e in quanto possono simularesegnali ;po ele-roni da 105 MeV interagendo conl’apparato o decadendo in volo. La parte finale del TS el’interoDSsonocirconda;dalsistemadivetocos;tuitodastra; di scin;llatori plas;ci e assorbitori in alluminio conefficienzaε=99.99%

CosmicRayVeto

1.4m

3m

Nel 2015 è iniziata la fase di costruzione dell’esperimentoMu2e. Anche i rivelatori hanno completato la fase di pre-produzione e, da qualchemese, è iniziata quella di produzione. Al gruppo Italiano/INFN è stata affidata laproge-azionedelcalorimetroacristalli.Laricercaesviluppodiquestorivelatoresonosta;guida;dalgruppodeiLNF,dovesonostatetestatediverseopzionidicristalliefotosensoriprimadiarrivareall’a-ualedisegno.A-ualmentesistasvolgendopressoilFermilablafasedicontrolloqualitàdiognisingolocomponentedelcalorimetro.L’obie[voèquellodicompletarel’istallazionedelrivelatorenellasalasperimentalediMu2enell’estatedel2020.Siaspe-adiprendereda;conilfasciodimuoniinmanieracon;nua;vaperalmeno3anniapar;redal2021.

A[vitàpressoLaboratoriNazionalidiFrasca;

Mu2esiproponediraggiungereunratediconversioneRμe<6x10-17(@90C.L.)valutatocomeilrapportotrailratediconversionedimuoneinele-roneequellodica-uramuonica:

QuestolimitecorrispondeadunaSingleEventSensi;vity(SES)di2.77x10-17.Perdiscriminaregliele:ronidiconversione(CE)daunele:roneprovenientedaldecadimentoinorbita(DIO)diunmuoneènecessariaun’eccellenterisoluzioneinmomento(150KeV/c).La simulazione completamostra lo spe-ro inmomento ricostruito per gli even; di DIO e CE perme-endo di o[mizzare laregionediselezionedelsegnalecherisultaestendersida103.5MeV/cfinoa104.7MeV/c

Rµe =N(µ� +N(Z,A) ! e� +N(Z,A))

µ� +N(Z,A) ! ⌫µ +N(Z � 1, A)

Obie[videll’esperimentoesensibilita’sperimentale

IntroduzioneL’esperimentoMu2ealFermilabricercalaconversionecoerentedimuoneinele-ronenelcampoele-ricodiunnucleo.Sitra-adiunesempiodiviolazionedellaconservazionedelnumeroleptoniconelse-oredeileptonicarichi(CLFV)maiosservatosperimentalmente.L’eventualeosservazionediunprocessodiCLFVrappresentaunchiarosegnaledifisicaoltreilModelloStandard.L’esperimentoMu2e,infasedicostruzione,èstatoproge-atopermiglioraredi4ordinidigrandezzal’a-ualesensibilitàsperimentale.

CLFV-ChargedLeptonFlavorViola;onSecondo il Modello Standard (SM) fenomeni di CLFV possono emergere tramitel’oscillazionedeineutrini,maconratechesonotrascurabili(~10-54).Esistonomodellialterna;vialloSMincuitalifenomenihannobranchingra;ochesonoosservabilidaesperimen;diul;magenerazione(MEG_upgrade,Mu3e,Mu2e/Comet)

SetupsperimentaleL’apparatosperimentaleèorganizzatointremagne;solenoidalisupercondu-ori:

PS–solenoidediproduzione:Il fascio di protoni da 8 GeV incide su un bersaglio ditungstenoeme-endoprevalentementepioni.Ilcampoagradiente assicura che le par;celle cariche si diriganoversoilsecondosolenoide.TS–solenoideditrasporto:Cara-erizzato dalla forma ad S che perme-e dieliminare il trasporto di par;celle neutre. In questot r a-o de l l ’ e spe r imen to i p i on i d e cadonoprevalentemente in muoni. La presenza di collimatorigaran;sce una selezione di muoni nega;vi di bassaenergia.DS–solenoidedirivelazione:Vi si trovaunbersaglio, cos;tuitoda17 foglidialluminio, sucui incide il fasciodibasseenergia (p<100MeV/c)dimuoninega;viadal;ssima intensità10GHz. Inquesta regionesonopresen; i rivelatori cheperme-onol’osservazionedegliele-ronidiconversione:untracciatore,chenemisural’impulso,euncalorimetroele-romagne;co,chenemisurailtempoel’energia.L’interaregioneècircondatadaunsistemadivetoperraggicosmici.

PS

TS

DS

L’acceleratore del Fermilab trasporterà con il Delivery Ring un fascio di protoni da 8 GeV sul nostrobersagliodiproduzioneperuntotaledi1020POTin3annidipresada;.Per ridurre il contributo dei fondi di ;po prompt (ca-ura pionica e muonica radia;va) il fascio verràprodo-o inmaniera impulsataconpacche[separa;da~1.7μs. L’acquisizionedell’esperimento inizierà~700 ns dopo l’arrivo del fascio per perme-ere di es;nguere i segnali veloci mantenendo un’altaacce-anzaperiCE(τ=864ns).Per evitare segnali spuri da protoni prodo[ fuori tempo si richiede un’es;nzione di 1010 per tu-e lepar;cellefuoridalpacche-o.

IlfasciodimuonidelMuonCampus

Loop Terminediconta:o

Adifferenza di altri esperimen;Mu2eè in gradodi osservareprocessi descri[ sia da termini di loop sia da termini diconta-o.Incasodiosservazionediunsegnale,ilparagonecongli altri esperimen; CLFV aiuterebbe a selezionare tra diversimodellidifisicaoltreilmodellostandard.

SensibilitàallaCLFV

Mu2e