Un team di fisici che ha eseguito calcoli estremamente precisi delle proprietà del muone in simulazioni ha scoperto che le proprietà della particella sono più in linea con il Modello Standard di quanto si pensasse in precedenza.
La “fine” del muone
Il team si chiama BMW Collaboration e la sua ricerca è attualmente pubblicata sul server di pre-print arXiv, il che significa che non è ancora stata pubblicata su una rivista peer-reviewed. Le precedenti scoperte del team, pubblicate su Nature nel 2021, “hanno indebolito la discrepanza di lunga data tra esperimento e teoria“. In altre parole, il loro lavoro ha avvicinato la fisica sperimentale alle previsioni teoriche quando si tratta della nostra comprensione del muone.
Lo studio
Nel suo nuovo studio, il team ha eseguito simulazioni di cromodinamica quantistica a reticolo (QCD) su larga scala su reticoli più fini rispetto al suo lavoro precedente, ottenendo un calcolo più preciso. In sostanza, il team ha preso la QCD come input, ha messo una griglia sullo spaziotempo e l’ha simulata. I loro risultati hanno previsto un momento magnetico anomalo del muone che era solo 0,9 deviazioni standard dalla media sperimentale per le misurazioni della proprietà.
Il muone è una particella elementare circa 207 volte più massiccia dell’elettrone. Per circa 20 anni, gli scienziati hanno considerato il muone un potenziale luogo per la scoperta di nuova fisica.
Il problema sta nelle misurazioni del momento magnetico anomalo della particella, o g-2, una proprietà che descrive il contributo della meccanica quantistica all’oscillazione delle particelle in presenza di un campo magnetico. G-2 del muone era in disaccordo con le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle, l’insieme fondamentale di teorie che sostengono la fisica negli ultimi 50 anni.
“A differenza di grandi esperimenti che misurano g-2 attraverso collisioni di particelle, la ricerca del team “non ha bisogno di alcun input sperimentale. Ha solo bisogno dell’attivazione della teoria sottostante, che è la QCD“, ha affermato il coautore dello studio Zoltan Fodor, un fisico teorico delle particelle presso l’Università della California a San Diego: “Si finisce con quello che si vede nelle nostre figure oggi: che il risultato concorda completamente con il risultato sperimentale”.
In altre parole, i risultati del team hanno indicato che l’apparente divario tra il momento magnetico anomalo previsto per il muone e quello previsto dal Modello Standard non è così ampio come suggerito da precedenti risultati.
Il momento magnetico anomalo del muone è stato misurato per la prima volta al CERN negli anni ’60, ma la misurazione era imprecisa. Nel 2006, l’esperimento E821 al Brookhaven National Laboratory pubblicò le sue misurazioni finali di g-2 della particella, che differivano dalle previsioni del Modello Standard di oltre due deviazioni standard, aumentando fino a una differenza di oltre tre deviazioni standard dopo calcoli successivi.
“Spiegare g-2 del muone con la nuova fisica non è così facile“, ha detto Andreas Crivellin, fisico teorico presso l’Università di Zurigo e il Paul Scherrer Institute: “Non è qualcosa che viene fuori in modo naturale, piuttosto, devi lavorare per trovare un modello che ti dia un effetto considerevole”.
Il traguardo statistico raggiunto il quale i fisici ritengono che sia stata fatta una vera scoperta, ovvero che la probabilità che il risultato si verifichi per caso secondo il Modello Standard sia estremamente bassa, è di cinque deviazioni standard, o “cinque sigma“.
Nel 2021, la Muon g-2 Collaboration ha annunciato una misurazione del momento magnetico della particella che era in disaccordo con il Modello Standard di 4,2 deviazioni standard. Il divario tra le cifre si è ampliato dopo il risultato di Brookhaven. Ma nel 2023, i risultati sperimentali di CMD-3, un acceleratore in Russia, sembravano ridurre la discrepanza tra le cifre. Due passi avanti, uno indietro, a seconda di come lo si guarda.
“Questo calcolo del primo principio dal reticolo e la misurazione CMD-3 concordano entrambi e non puntano verso una nuova fisica“, ha spiegato Crivellin: “Non ho molte speranze che ci sia davvero un effetto di nuova fisica considerevole in g-2 del muone”.
Conclusioni
Esistono altri modi per esplorare le proprietà del muone. Nel 2022, diversi fisici hanno spiegato quale potrebbe essere la prossima grande svolta nella fisica delle particelle, data la relativa calma dopo l’osservazione del bosone di Higgs nel 2012. Un fisico ha ipotizzato un collisore di muoni: “Se abbiamo un problema con i muoni, usiamo i muoni per scoprirlo”.
Un altro team di ricercatori ha pubblicato la sua analisi di un esperimento con fasci di muoni che potrebbe aprire la strada ai futuri acceleratori di muoni, ma costruire un nuovo acceleratore può essere costoso e richiedere molto tempo.
Con gli esperimenti esistenti, più dati sono sempre utili e ritestare i risultati precedenti in modi più precisi potrebbe indicare se il Modello Standard continua a reggere. L’esperimento Muon g-2 del Fermilab dovrebbe pubblicare il suo risultato finale nel 2025. Se i risultati precedenti sono un’indicazione, la cifra dell’anno prossimo sarà un altro punto dati nella saga del muone, non il suo capitolo finale.
