Muon g-2: uno studio fondamentale sfida il regolamento della fisica delle particelle

Il Modello Standard è una teoria rigorosa che predice il comportamento dei mattoni dell'universo.

Concezione artistica del mistero del momento magnetico del muone. (Fonte: Dani Zemba, Pennsylvania State University)

I risultati recentemente pubblicati di un esperimento internazionale suggeriscono la possibilità di una nuova fisica che governi le leggi della natura, affermano gli scienziati. I risultati dell'esperimento, che ha studiato una particella subatomica chiamata muone , non corrispondono alle previsioni del Modello Standard, su cui si basa tutta la fisica delle particelle, e riconfermano invece una discrepanza che era stata rilevata in un esperimento 20 anni prima. In altre parole, la fisica che conosciamo non può da sola spiegare i risultati misurati. Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Physical Review Letters.

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Che cos'è il modello standard?

Il Modello Standard è una teoria rigorosa che predice il comportamento dei mattoni dell'universo. Descrive le regole per sei tipi di quark, sei leptoni, il bosone di Higgs, tre forze fondamentali e come si comportano le particelle subatomiche sotto l'influenza delle forze elettromagnetiche.

Il muone è uno dei leptoni. È simile all'elettrone, ma 200 volte più grande e molto più instabile, sopravvivendo per una frazione di secondo. L'esperimento, chiamato Muon g–2 (g meno due), è stato condotto presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

In cosa consisteva questo esperimento?

Ha misurato una quantità relativa al muone, seguendo un precedente esperimento al Brookhaven National Laboratory, sotto il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti. Concluso nel 2001, l'esperimento di Brookhaven ha prodotto risultati che non corrispondevano in modo identico alle previsioni del modello standard.

L'esperimento Muon g-2 ha misurato questa quantità con maggiore precisione. Ha cercato di scoprire se la discrepanza sarebbe rimasta o se i nuovi risultati sarebbero stati più vicini alle previsioni. Come si è scoperto, c'era di nuovo una discrepanza, anche se più piccola.

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Che quantità è stata misurata?

Si chiama fattore g, una misura che deriva dalle proprietà magnetiche del muone. Poiché il muone è instabile, gli scienziati studiano l'effetto che lascia sull'ambiente circostante.

I muoni si comportano come se avessero un minuscolo magnete interno. In un forte campo magnetico, la direzione di questo magnete oscilla, proprio come l'asse di una trottola. La velocità con cui il muone oscilla è descritta dal fattore g, la quantità che è stata misurata. È noto che questo valore è vicino a 2, quindi gli scienziati misurano la deviazione da 2. Da qui il nome g-2.

Il fattore g può essere calcolato con precisione utilizzando il modello standard. Nell'esperimento g-2, gli scienziati lo hanno misurato con strumenti ad alta precisione. Hanno generato muoni e li hanno fatti circolare in un grande magnete. I muoni hanno anche interagito con una schiuma quantistica di particelle subatomiche che esplodevano dentro e fuori dall'esistenza, come descritto dal Fermilab. Queste interazioni influenzano il valore del fattore g, facendo oscillare i muoni leggermente più velocemente o leggermente più lentamente. Anche quanto sarà questa deviazione (questo è chiamato momento magnetico anomalo) può essere calcolato con il Modello Standard. Ma se la schiuma quantistica contiene forze o particelle aggiuntive che non sono considerate dal modello standard, ciò modificherebbe ulteriormente il fattore g.

Quali sono stati i risultati?

I risultati, pur divergendo dalla previsione del modello standard, concordano fortemente con i risultati di Brookhaven, ha affermato Fermilab.

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I valori teorici accettati per il muone sono:
fattore g: 2.0233183620
momento magnetico anomalo: 0.00116591810

I nuovi risultati sperimentali (combinati dai risultati Brookhaven e Fermilab) annunciati mercoledì sono:
fattore g: 2.00233184122
momento magnetico anomalo: 0,00116592061.

Cosa significa questo?

I risultati di Brookhaven, e ora del Fermilab, suggeriscono l'esistenza di interazioni sconosciute tra il muone e il campo magnetico, interazioni che potrebbero coinvolgere nuove particelle o forze. Tuttavia, non è l'ultima parola nell'aprire la strada alla nuova fisica.

Per rivendicare una scoperta, gli scienziati richiedono risultati che divergano dal modello standard di 5 deviazioni standard. I risultati combinati di Fermilab e Brookhaven divergono di 4,2 deviazioni standard. Anche se questo potrebbe non essere sufficiente, è molto improbabile che si tratti di un colpo di fortuna: questa possibilità è di circa 1 su 40.000, ha affermato in un comunicato stampa l'Argonne National Laboratory, anche sotto il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

Questa è una forte prova che il muone è sensibile a qualcosa che non è nella nostra migliore teoria, ha detto in una dichiarazione rilasciata dal Fermilab Renee Fatemi, un fisico dell'Università del Kentucky e responsabile delle simulazioni per l'esperimento Muon g-2.

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