Per oltre mezzo secolo, i ricercatori hanno studiato le proprietà magnetiche di una particella subatomica effimera chiamata muone. Una recente misurazione di questa proprietà è una delle misurazioni più accurate di tutta la scienza. Tuttavia, quando gli scienziati confrontano il risultato empirico con la previsione teorica, i due non coincidono. Se questa discrepanza venisse confermata, i fisici potrebbero dovere riscrivere le loro teorie che descrivono le leggi della natura. C’è molto in gioco.
Schiuma quantistica
Il muone è fondamentalmente un cugino più pesante del familiare elettrone. Utilizzando le leggi della meccanica quantistica, è possibile prevedere l’intensità del campo magnetico per questo tipo di particelle. In quei calcoli, l’intensità del campo magnetico è descritta da un numero adimensionale chiamato “g”, ed è stato previsto che g = 2 per elettroni e muoni. Ma poco dopo la fine della seconda guerra mondiale, gli scienziati hanno misurato con precisione g per gli elettroni e hanno scoperto che era superiore di circa lo 0,1% (ovvero g ≈ 2,002). Una misura per i muoni ha dato lo stesso risultato.
Quella che potrebbe sembrare una banale differenza, però, è tutt’altro; ha portato i ricercatori a sviluppare una forma migliorata di meccanica quantistica chiamata elettrodinamica quantistica (QED).
QED contiene tutte le stranezze della meccanica quantistica tradizionale e altro ancora. Una nuova caratteristica di QED è che prevede che lo spazio vuoto non sia affatto vuoto. Invece, a livello quantico, lo spazio è un luogo complicato e affollato, con particelle subatomiche che appaiono e scompaiono quasi istantaneamente. Questo fenomeno è talvolta chiamato schiuma quantistica.
La schiuma quantistica è la causa del piccolo spostamento nelle proprietà magnetiche del muone. Poiché il muone ha carica elettrica, esercita una forza sulle particelle della schiuma quantistica, con alcune particelle che vengono avvicinate, mentre altre vengono leggermente respinte. Questa alterazione della distribuzione delle particelle nella schiuma è responsabile della discrepanza dello 0,1%.
Poiché i ricercatori sono interessati a studiare la schiuma quantistica e non le caratteristiche più basilari del muone, a volte gli scienziati che studiano questo fenomeno sottraggono il valore tradizionale di g. Il risultato si chiama “g-2” (“g meno 2”). La quantità g-2 si concentra esclusivamente sulla sfuggente ed effimera schiuma quantica.
g-2 e conteggio
Nel corso dei decenni, i ricercatori hanno effettuato misurazioni sempre più precise di g-2. Circa un decennio fa, gli scienziati del Brookhaven National Laboratory di New York hanno misurato g-2 con sette cifre di precisione. Tuttavia, quando l’hanno confrontato con la previsione teorica, c’era una piccola discrepanza. I risultati non erano del tutto coincidenti.
Ci sono diverse possibili spiegazioni: (1) la misurazione è errata; (2) la previsione è sbagliata; (3) hanno entrambi ragione, ma c’è qualche fenomeno sconosciuto non incorporato nella teoria accettata. Se è così, la differenza segnala una scoperta.
Per verificare che la misurazione fosse corretta, i ricercatori hanno spostato le loro apparecchiature da Brookhaven al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) per beneficiare del suo acceleratore più potente. Dopo notevoli sforzi per migliorare l’apparato, i ricercatori del Fermilab hanno registrato dati per diversi anni, ed i loro risultati concordano con quelli di Brookhaven: il valore di g-2 per un muone è 0,00233184110 ± 0,00000000047.
Previsioni problematiche
Se la misurazione sperimentale sembra essere solida, che dire delle previsioni teoriche? Qui la situazione è più complicata. QED può, almeno in linea di principio, prevedere l’effetto della schiuma quantistica sulle proprietà magnetiche del muone. Il problema è che il calcolo è estremamente impegnativo. Alcune delle particelle della schiuma quantistica interagiscono esclusivamente tramite elettromagnetismo, e questo è calcolabile; altre particelle di schiuma subiscono quella che viene chiamata la forza forte (che tiene insieme i nuclei degli atomi), che è molto più difficile da calcolare.
Per semplificare le cose, i fisici hanno utilizzato le misurazioni di precedenti esperimenti per sostituire le parti difficili del calcolo teorico. Tuttavia, altri ricercatori hanno adottato un approccio diverso, utilizzando la potenza del computer a forza bruta per calcolare l’effetto della forza forte sulle proprietà magnetiche del muone, un approccio chiamato “reticolo QCD“. Il calcolo basato sul reticolo non concorda con il precedente approccio teorico che utilizzava input sperimentali e non concorda anche con le varie misurazioni dirette di g-2, sebbene con una discrepanza ridotta.
Dato il disaccordo nella comunità teorica, è in corso uno sforzo concertato per risolvere il problema, con alcuni ricercatori che perseguono la tecnica di sostituire calcoli complicati con misurazioni dirette e altri che perfezionano i calcoli del reticolo. Coloro che adottano l’approccio sostitutivo stanno studiando l’effetto dell’utilizzo di diversi esperimenti per integrare il calcolo della QED. Coloro che seguono i metodi computazionali utilizzano calcoli raffinati e computer più grandi e potenti. Si prevede che la risoluzione di questi problemi teorici richiederà diversi anni per essere completata.
Questo significa nuova fisica?
Cosa succederà se la comunità teorica raggiungerà un consenso e la previsione sarà ancora in disaccordo con la misurazione? I ricercatori saranno costretti a concludere che alla teoria attuale manca un pezzo importante. Se è vero, una possibilità è che ci siano particelle nella schiuma quantistica di cui attualmente non siamo a conoscenza: una prospettiva davvero entusiasmante.
E quindi? I teorici continueranno a perfezionare i loro calcoli, mentre gli sperimentatori continueranno a raccogliere e analizzare più dati (l’obiettivo del Fermilab è ridurre le incertezze di misurazione a un quarto di quelle riportate dal gruppo Brookhaven quasi due decenni fa). Naturalmente, altri fisici prevedono che la discrepanza tra misurazione e previsione persisterà. Questi scienziati stanno affilando le loro matite preparandosi a cercare di capire come riscrivere la teoria esistente.
