L’esperimento Muon g-2 del Fermilab potrebbe avere profonde implicazioni per il modello standard

L'esperimento Muon g-2 potrebbe aprire il campo per una nuova fisica, affermano gli scienziati del Fermilab

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I ricercatori dell’esperimento esperimento Muon g-2 ospitato presso il Fermi National Accelerator Laboratory hanno annunciato, il 7 aprile scorso, di aver misurato nel loro gigantesco acceleratore una particella chiamata muone con un comportamento leggermente diverso da quanto previsto.

Questo risultato costituiva la prima notizia inaspettata nella fisica delle particelle da anni.

All’annuncio è seguita grande eccitazione nel mondo della ricerca, soprattutto tra i fisici teorici alla ricerche di ipotesi e teorie su come funziona l’universo. Da allora c’è stato tutto un proliferare di nuove teorie e anche il ritorno in voga di teorie fino ad ora considerate obsolete.

“Per molti di noi, tutto ciò ha il sapore e l’odore di nuova fisica”, ha affermato il prof. Dan Hooper. “Può darsi che un giorno ci guarderemo indietro e questo risultato sarà visto come l’araldo di una rivoluzione“.

Gordan Krnjaic, fisico teorico, è d’accordo: “È un ottimo momento per fare speculazioni“.



I due scienziati sono affiliati all’Università di Chicago e al Fermilab; nessuno dei due ha partecipato direttamente all’esperimento Muon g-2, ma entrambi sono stati contagiati dall’euforia data dai risultati. Per loro, queste scoperte potrebbero essere un indizio che indica la strada per svelare gli ultimi misteri della fisica delle particelle e, con essa, la nostra comprensione dell’universo nel suo insieme.

Muon g-2 e la ricerca dello standard

Basandosi su esperimenti e teorie risalenti ai giorni delle prime ricerche di Albert Einstein, gli scienziati hanno abbozzato una teoria su come è nato e funziona l’universo, dalle sue particelle più piccole alle sue forze più grandi.

Questa spiegazione, chiamata Modello Standard, fa un buon lavoro nel collegare i punti. Ma manca di qualcosa, ad esempio, il modello standard non prevedeva la materia oscura.

Per superare le discrepanze del modello standard i ricercatori hanno immaginato esperimenti quasi incredibili e hanno costruito macchine enormi e complesse come come il Large Hadron Collider per studiare le proprietà più fondamentali delle particelle, sicuri che questo avrebbe fornito indizi.

Ma anche esaminando più a fondo l’enormemente piccolo, nulla di ciò che hanno trovato sembrava non essere al passo con il modello standard. Senza nuove strade da indagare, gli scienziati non avevano idea di dove e come cercare spiegazioni per le discrepanze come la materia oscura.

Poi, finalmente, i risultati dell’esperimento Muon g-2 sono arrivati ​​dal Fermilab (che è affiliato con l’Università di Chicago). L’esperimento ha riportato una piccola differenza tra le previsioni sul comportamento dei muoni secondo il Modello Standard e cosa effettivamente si è visto all’interno dell’acceleratore.


Che cos’è un muone e come funziona l’esperimento Muon g-2? Gli scienziati del Fermilab spiegano il significato del risultato.

La notizia dei risultati di Muon g-2 ha scatenato ridde di ipotesi e di discussioni nel mondo dei fisici teorici. Quasi ogni spiegazione possibile per questa novità nella fisica delle particelle potrebbe avere profonde implicazioni per la storia dell’universo.

Questo perché le particelle più piccole influenzano le forze più grandi nell’universo. Le minuscole differenze nella massa di ogni particella influenzano inevitabilmente la nostra idea di come l’universo si è espanso e si è evoluto.

A sua volta, ciò influisce su tutto, dal modo in cui le galassie sono tenute insieme fino alla natura stessa della materia. Ecco perché gli scienziati vogliono misurare con precisione come la farfalla ha sbattuto le ali.

I sospetti

Finora, ci sono tre principali spiegazioni possibili per i risultati di Muon g-2, se si tratta davvero di una nuova fisica e non di un errore.

Una è una teoria nota come “supersimmetria“, che era molto di moda nei primi anni 2000. La supersimmetria suggerisce che ogni particella subatomica debba avere una corrispondente particella partner. È un’idea attraente per i fisici perché è una teoria generale che spiega diverse discrepanze, inclusa la materia oscura; ma il Large Hadron Collider non ha visto alcuna prova di queste particelle extra. Non ancora, almeno.

Un’altra possibilità è che qualche forma di materia sconosciuta e relativamente pesante interagisca fortemente con i muoni.

Infine, potrebbero esistere anche altri tipi di particelle luminose esotiche, non ancora scoperte, che interagiscono debolmente con i muoni e causano l’oscillazione. Krnjaic e Hooper hanno scritto un articolo che illustra cosa una particella così leggera, che hanno chiamato “Z primo“, potrebbe significare per l’universo.

Queste particelle dovrebbero essere esistite sin dal Big Bang, e ciò significherebbe altre implicazioni, ad esempio, potrebbero avere un impatto sulla velocità con cui l’universo si è espanso nei suoi primi istanti“, ha detto Krnjaic.

Ciò potrebbe combaciare con un altro mistero su cui gli scienziati stanno discutendo, chiamato costante di Hubble. si tratta di un numero che dovrebbe indicare la velocità con cui l’universo si sta espandendo, ma varia leggermente a seconda del modo in cui lo si misura, una discrepanza che potrebbe implicare che manca qualcosa alla nostra conoscenza.

Ci sono altre possibilità meno probabili, come quella che i muoni vengano urtati da particelle che entrano ed escono dall’esistenza da altre dimensioni (“Una cosa di cui i fisici delle particelle sono raramente accusati è la mancanza di creatività“, ha detto Hooper.)

Ma ora i ricercatori sostengono che sia importante non respingere le teorie a priori, non importa quanto possano sembrare folli.

Non vogliamo trascurare qualcosa solo perché suona strano“, ha detto Hooper. “Cerchiamo costantemente di scuotere gli alberi per avere ogni idea che possiamo là fuori. Vogliamo dargli la caccia ovunque si nasconda“.

Alla ricerca di conferme

Il primo passo da fare, tuttavia, riguarda la necessità di confermare che il risultato Muon g-2 sia affidabile. Gli scienziati hanno un sistema per dire se i risultati di un esperimento sono reali e non solo un errore nei dati. Il risultato annunciato ad aprile ha raggiunto 4.2 sigma; il benchmark che significa che è quasi certamente vero è 5 sigma.

Se si tratta davvero di una fisica nuova, saremo molto più vicini a saperlo tra un anno o due“, ha detto Hooper.

L’esperimento Muon g-2 ha ancora molti dati da esaminare. Nel frattempo, dovrebbero venire a galla i risultati di alcuni calcoli teorici molto complicati, così complessi che anche i più potenti supercomputer del mondo devono masticarli per mesi o anni.

Questi risultati, se otterranno un livello di confidenza di 5 sigma, indicheranno agli scienziati cosa fare dopo. Ad esempio, Krnjaic ha contribuito a proporre un programma Fermilab chiamato M3 che potrebbe restringere le possibilità sparando un raggio di muoni su un bersaglio metallico, misurando l’energia prima e dopo che i muoni colpiscono. Questi risultati potrebbero indicare la presenza di una nuova particella.

Nel frattempo, al confine franco-svizzero, è previsto l’aggiornamento del Large Hadron Collider a una luminosità più elevata che produrrà più collisioni. Nei loro dati potrebbero apparire nuove prove di particelle o altri fenomeni.

Tutta questa eccitazione per un’oscillazione potrebbe sembrare una reazione eccessiva. Ma piccole discrepanze possono, e lo hanno in passato, portare a massicci sconvolgimenti. Già nel 1850, gli astronomi che effettuavano misurazioni dell’orbita di Mercurio notarono che era leggermente diversa da quanto previsto dalla teoria della gravità di Newton. “Quell’anomalia, insieme ad altre prove, alla fine ci ha portato alla teoria della relatività generale“, ha detto Hooper.

Nessuno sapeva di cosa si trattasse, ma ha indotto le persone a pensare e sperimentare. La mia speranza è che un giorno guarderemo indietro a questo risultato allo stesso modo”.

Riferimenti:

“Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm” by B. Abi et al. (Muon g-2 Collaboration), 7 April 2021, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.126.141801

“Magnetic-field measurement and analysis for the Muon – 2 Experiment at Fermilab” by T. Albahri et al. (The Muon g-2 Collaboration), 7 April 2021, Physical Review A.
DOI: 10.1103/PhysRevA.103.042208

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