L’esperimento del muone oscillante (muon g-2) potrebbe rivelare una quinta forza della natura

Una minuscola particella oscillante (muone) potrebbe rivelare una quinta forza della natura, affermano gli scienziati dietro uno dei più grandi esperimenti di fisica delle particelle

0
7047
L'esperimento del muone oscillante potrebbe rivelare una quinta forza della natura
L'esperimento del muone oscillante potrebbe rivelare una quinta forza della natura

Una minuscola particella oscillante (muone) potrebbe rivelare una quinta forza della natura, affermano gli scienziati dietro uno dei più grandi esperimenti di fisica delle particelle.

I fisici del Fermi National Accelerator Laboratory, o Fermilab, vicino a Chicago, hanno trovato ulteriori prove che il muone, una particella subatomica, sta oscillando molto più di quanto dovrebbe – e pensano che sia perché una forza sconosciuta lo sta spingendo.

I risultati si basano su un precedente esperimento effettuato nel 2021 che ha prodotto quattro volte i dati con l’incertezza sperimentale ridotta di un fattore due. Se i risultati sono veritieri e le controversie teoriche intorno a queste misurazioni vengono superate, l’esperimento sarà una svolta nella fisica dopo oltre 50 anni, quando la teoria dominante per spiegare le particelle subatomiche si è solidificata.

In altre parole, la minuscola oscillazione del muone, nota come momento magnetico, ha il potenziale per scuotere le fondamenta stesse della scienza.

“Stiamo davvero sondando un nuovo territorio”, ha detto in una dichiarazione Brendan Casey, uno scienziato senior del Fermilab che lavora all’esperimento, noto come Muon g-2. “Stiamo determinando il momento magnetico del muone con una precisione migliore di quanto non sia mai stato visto prima”.

I muoni

Occasionalmente indicati come “elettroni grassi”, i muoni sono simili agli elettroni ma sono 200 volte più pesanti e radioattivamente instabili – decadono in pochi milionesimi di secondo in elettroni e particelle minuscole, spettrali e prive di carica note come neutrini. I muoni hanno anche una proprietà chiamata spin, che li fa comportare come se fossero minuscoli magneti, facendoli oscillare come mini giroscopi quando si trovano all’interno di un campo magnetico.



Per indagare sull’oscillazione del muone, i fisici del Fermilab hanno fatto volare le particelle intorno a un anello magnetico superconduttore di meno 450 gradi Fahrenheit (meno 268 gradi Celsius) quasi alla velocità della luce, una velocità che, a causa della dilatazione relativistica del tempo, estende il breve periodo dei muoni di un fattore di circa 3.000.

Osservando come i muoni oscillavano mentre facevano migliaia di giri intorno all’anello di 50 piedi di diametro (15 metri), i fisici hanno raccolto dati che suggeriscono che il muone oscillava molto più di quanto avrebbe dovuto essere.

La spiegazione, affermano gli scienziati dello studio, è l’esistenza di qualcosa che non è ancora stato spiegato dal Modello standard: l’insieme di equazioni che spiegano tutte le particelle subatomiche, che è rimasto invariato dalla metà degli anni ’70.

Questo qualcosa di misterioso potrebbe essere una forza della natura completamente sconosciuta (le quattro conosciute sono le forze gravitazionale, elettromagnetica e le forze nucleari forti e deboli). In alternativa, potrebbe essere una particella esotica sconosciuta, o la prova di una nuova dimensione o un aspetto sconosciuto dello spazio-tempo.

Ma in qualunque modo, i dati dei fisici suggeriscono che qualcosa di sconosciuto sta spingendo e strattonando i muoni all’interno dell’anello.

Tuttavia, la conferma completa richiederà un po’ più di tempo. Per essere il più certi possibile, i fisici utilizzeranno tutti i dati raccolti durante la corsa dell’esperimento g-2 dal 2018 al 2023: il risultato attuale prende solo i dati dal 2019 e dal 2020. In secondo luogo, dovranno attendere le previsioni teoriche dal Modello standard da recuperare.

Esistono attualmente due metodi teorici per calcolare quale dovrebbe essere l’oscillazione del muone secondo il Modello standard. Questi due metodi producono previsioni contrastanti. Alcuni di questi calcoli, incluso uno pubblicato la stessa settimana dei risultati dell’esperimento g-2 del 2021, attribuiscono un valore molto maggiore all’incertezza teorica del momento magnetico del muone, minacciando di privare l’esperimento del suo significato rivoluzionario per la fisica.

Anche un altro esperimento, utilizzando i dati dell’acceleratore CMD-3 a Novosibirsk, in Russia, sembra trovare i muoni che oscillano entro limiti normali, ma l’esperimento contraddice direttamente una precedente corsa dell’acceleratore che suggeriva un risultato opposto.

I ricercatori del Fermilab sperano che i risultati completi, che si aspettano di essere pronti nel 2025, possano essere sufficientemente precisi da dare una lettura chiara.

Fonte: Physical Review Letters

2