L'esperimento MEG al Paul Scherrer Institute di Villigen (Svizzera, cantone di Argau) si propone di osservare il processo di decadimento del leptone mu in un elettrone (propriamente un positrone in quanto si utilizzano muoni di carica positiva) ed un fotone, processo non permesso nel modello elettrodebole standard perché l'elettrone ed il mesone hanno un diverso sapore leptonico, cioè appartengono a due famiglie distinte.

I processi di questo tipo sono chiamati processi di ''violazione del sapore leptonico carico'' e sono abbreviati con l'acronimo inglese CLFV (''Charged Lepton Flavour Violation'').
Estendendo il modello in modo da includere le oscillazioni di neutrino (l'unico esempio di LFV osservato sperimentalmente, ma con leptoni neutri) il processo μ → e + γ risulta permesso, ma troppo raro per poter essere rivelato sperimentalmente. Invece altre estensioni del modello standard ed in particolare le teorie di grande unificazione supersimmetrica delle forze della natura prevedono che il decadimento del muone in elettrone e fotone avvenga abbastanza frequentemente da poter essere rivelato con un esperimento di alta precisione. La maggior parte di tali teorie prevede infatti che il processo

avvenga con un rapporto relativo di circa 1 parte su 10^(12-14) rispetto all'usuale processo di decadimento del muone in un elettrone e due neutrini. In Fig.1 mostriamo un possibile diagramma di Feynman per questo decadimento.

Fra i primi fondamentali articoli che hanno dato un particolare impulso alla ricerca di processi di CLFV ricordiamo:

• L.-H. Lee et al., Phys. Lett. B138(1984) 121
• R. Barbieri et al., Phys. Lett. B338(1994) 212
• R. Barbieri et al., Nucl. Phys. B445(1995) 215
• Y. Kuno et al., Rev. Mod. Phys. 73(2001) 151

Un'osservazione del decadimento μ → e + γ sarebbe quindi un'evidenza incontrovertibile della necessità di superare il modello standard ed inserirlo all'interno di schemi supersimmetrici, in cui il modello standard risulta una descrizione limite, valida per energie basse rispetto a quelle caratteristiche dello schema principale. Peraltro anche un risultato negativo risulterebbe fisicamente assai significativo, in quanto consentirebbe di porre dei limiti molto stringenti sui possibili valori dei parametri liberi delle teorie supersimmetriche.

In passato sono stati condotti numerosi esperimenti per la ricerca del decadimento del muone in elettrone e fotone (cliccare qui per una lista di indicazioni bibliografiche): infatti, nell'ambito dei processi LFV tale decadimento risulta uno dei più interessanti sia per discriminare le possibili estensioni del modello, sia dal punto di vista sperimentale, perché le caratteristiche cinematiche delle particelle emesse nel processo (un fotone ed un elettrone emessi simultaneamente con un angolo relativo di 180⁰, ciascuno di energia eguale a metà della massa del muone a riposo) risultano chiaramente identificabili e consentono un'efficiente discriminazione del segnale rispetto agli eventi di fondo. La prima ''pionieristica'' ricerca venne condotta da B. Pontecorvo ed E.P. Hincks nel 1948 utilizzando muoni prodotti dai raggi cosmici ed ottenendo un limite sul rapporto di decadimento del muone in elettrone e fotone (rispetto a quello usuale in elettrone e due neutrini) di circa 10^-1; da allora tale limite è stato migliorato di svariati ordini di grandezza utilizzando i muoni prodotti in opportune macchine acceleratrici di grande potenza (''meson factories''). Nella Fig.2 è mostrata l'evoluzione del limite superiore sperimentale del rapporto di decadimento di processi LFV che coinvolgono muoni non permessi dal modello standard: in questa figura sono riportati anche i risultati di MEG a cui si accede cliccando qui.

Nella Fig.3 è invece mostrato un esempio di predizione del rapporto di decadimento in un modello supersimmetrico di grande unificazione delle forze fondamentali ( ''SUGRA SU(5)'', J.Hisano et al., Phys. Lett. B391 (1997) 341). Il valore del rapporto di decadimento è mostrato in funzione della massa del seletrone, il partner supersimmetrico dell'elettrone, la cui esistenza è predetta dalla teoria. Il valore previsto per il rapporto di decadimento dipende inoltre dal set di parametri supersimmetrici utilizzati nei calcoli: ad esempio nella Fig.3 è mostrato il comportamento di tale rapporto per tre diversi valori del parametro ''tangente di beta'', uno dei più significativi della teoria.

Per la realizzazione di un obiettivo così ambizioso è necessario disporre di un apparato di grande precisione, con rivelatori ad elevate prestazioni in grado di separare gli eventuali segnali del decadimento cercato dai fondi, sia indotti dalla macchina acceleratrice, sia di origine naturale (raggi cosmici, radioattività ...). Nella realizzazione dell'esperimento è stata quindi posta particolare attenzione nell'ottimizzazione delle prestazioni dei rivelatori, tramite la costruzione e lo studio di prototipi in scala ridotta e lo sviluppo di numerose tecniche di calibrazione, ampiamente discusse in numerose pubblicazioni di MEG.