I primi risultati tanto attesi dell’esperimento Muon g-2 presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti mostrano particelle fondamentali chiamate muoni che si comportano in un modo non previsto dagli scienziati, cosa che pone forti dubbi sulla validità della nostra migliore teoria, il modello standard della fisica delle particelle.
Questo risultato fondamentale, realizzato con una precisione senza precedenti, conferma una discrepanza che da decenni tormenta i ricercatori.
La forte evidenza che i muoni deviano dal calcolo del modello standard potrebbe suggerire l’esistenza di una nuova fisica. I muoni agiscono come una finestra nel mondo subatomico e potrebbero interagire con particelle o forze non ancora scoperte.
“Oggi è un giorno straordinario, tanto atteso non solo da noi ma da tutta la comunità dei fisici internazionali“, ha detto Graziano Venanzoni, co-portavoce dell’esperimento Muon g-2 e fisico dell’Istituto Nazionale Italiano di Fisica Nucleare. “Un grande merito va ai nostri giovani ricercatori che, con il loro talento, idee ed entusiasmo, ci hanno permesso di raggiungere questo incredibile risultato“.
Muon g-2, gli obiettivi dell’esperimento
Un muone è circa 200 volte più massiccio di suo cugino, l’elettrone. I muoni compaiono naturalmente quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera terrestre e gli acceleratori di particelle del Fermilab sono in grado di produrne in gran numero. Come gli elettroni, i muoni agiscono come se avessero un minuscolo magnete interno. In un forte campo magnetico, la direzione del magnete del muone precede, o oscilla, proprio come l’asse di una trottola o di un giroscopio.
La forza del magnete interno determina la velocità di precessione del muone in un campo magnetico esterno ed è descritta da un numero che i fisici chiamano fattore g. Questo numero può essere calcolato con altissima precisione.
Mentre i muoni circolano nel magnete Muon g-2, interagiscono anche con una schiuma quantica di particelle subatomiche che spuntano dentro e fuori dall’esistenza. Le interazioni con queste particelle di breve durata influenzano il valore del fattore g, facendo accelerare o rallentare leggermente la precessione dei muoni.
Il modello standard prevede questo cosiddetto momento magnetico anomalo in modo estremamente preciso. Ma se la schiuma quantistica contiene forze o particelle aggiuntive non considerate dal Modello Standard, ciò modifica ulteriormente il fattore g del muone.
“Questa quantità che misuriamo riflette le interazioni del muone con tutto il resto nell’universo. Ma quando i teorici calcolano la stessa quantità, usando tutte le forze e le particelle conosciute nel Modello Standard, non otteniamo la stessa risposta“, ha detto Renee Fatemi, fisica dell’Università del Kentucky e responsabile delle simulazioni per l’esperimento Muon g-2. “Questa è una forte prova che il muone è sensibile a qualcosa che non è previsto nella nostra migliore teoria“.
L’esperimento precedente al Brookhaven National Laboratory del DOE, che si è concluso nel 2001, ha offerto indizi che il comportamento del muone non riflette le previsioni del modello standard. La nuova misurazione dell’esperimento Muon g-2 al Fermilab concorda fortemente con il valore trovato a Brookhaven e diverge dalla teoria con la misurazione più precisa fino ad oggi.
I valori teorici accettati per il muone sono:
fattore g: 2,00233183620 (86) [incertezza tra parentesi]
momento magnetico anomalo: 0,00116591810 (43)
I nuovi risultati sperimentali della media mondiale annunciati oggi dalla collaborazione Muon g-2 sono:
fattore g: 2.00233184122 (82)
momento magnetico anomalo: 0.00116592061 (41)
I risultati combinati di Fermilab e Brookhaven mostrano una differenza con la teoria a un significato di 4,2 sigma, un po’ meno del 5 sigma (o deviazioni standard) che gli scienziati richiedono per rivendicare una scoperta ma ancora prove convincenti della nuova fisica. La possibilità che i risultati siano una fluttuazione statistica è di circa 1 su 40.000.
L’esperimento Fermilab riutilizza il componente principale dell’esperimento Brookhaven, un anello di accumulo magnetico superconduttore di 50 piedi di diametro. Nel 2013 è stato trasportato per 3.200 miglia via terra e via mare da Long Island alla periferia di Chicago, dove gli scienziati hanno potuto sfruttare l’acceleratore di particelle del Fermilab e produrre il raggio di muoni più intenso degli Stati Uniti.
Nei quattro anni successivi, i ricercatori hanno assemblato l’esperimento; sintonizzato e calibrato un campo magnetico incredibilmente uniforme ; sviluppato nuove tecniche, strumentazione e simulazioni; e testato a fondo l’intero sistema.
L’esperimento Muon g-2 invia un raggio di muoni nell’anello di accumulo, dove circolano migliaia di volte quasi alla velocità della luce. I rilevatori che rivestono l’anello consentono agli scienziati di determinare la velocità di precessione dei muoni.
Nel suo primo anno di attività, nel 2018, l’esperimento Fermilab ha raccolto più dati di tutti i precedenti esperimenti messi insieme sul fattore g del muone. Con più di 200 scienziati provenienti da 35 istituzioni in sette paesi, la collaborazione Muon g-2 ha ora terminato di analizzare il movimento di oltre 8 miliardi di muoni da quella prima esecuzione.
“Dopo i 20 anni trascorsi dalla fine dell’esperimento di Brookhaven, è così gratificante poter finalmente risolvere questo mistero“, ha detto lo scienziato del Fermilab Chris Polly, che è un co-portavoce dell’attuale esperimento ed era uno studente laureato principale sul Esperimento di Brookhaven.
È in corso l’analisi dei dati sulla seconda e terza esecuzione dell’esperimento, la quarta esecuzione è in corso ed è prevista una quinta esecuzione. La combinazione dei risultati di tutte e cinque le analisi darà agli scienziati una misurazione ancora più precisa dell’oscillazione del muone, rivelando con maggiore certezza se davvero una nuova fisica si nasconde all’interno della schiuma quantistica.
“Finora abbiamo analizzato meno del 6% dei dati che l’esperimento alla fine raccoglierà. Anche se questi primi risultati ci dicono che c’è una differenza interessante con il modello standard, impareremo molto di più nei prossimi due anni” ha detto Polly.
“Individuare il comportamento sottile dei muoni è un risultato straordinario che guiderà la ricerca della fisica oltre il modello standard per gli anni a venire“, ha affermato Joe Lykken, vicedirettore della ricerca del Fermilab. “Questo è un momento entusiasmante per la ricerca sulla fisica delle particelle e il Fermilab è in prima linea“.
Video: https://www.youtube.com/watch?v=ZjnK5exNhZ0
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