Davvero i ricercatori del Fermilab hanno invalidato il modello standard?

di Don Lincon, ricercatore senior del Fermilab

L’ultimo mezzo secolo è stato relativamente tranquillo per la comprensione del mondo subatomico da parte degli scienziati. Le teorie sviluppate negli anni ’60 e all’inizio degli anni ’70 sono state combinate in quello che oggi viene chiamato il modello standard della fisica delle particelle. 

Sebbene ci siano alcuni fenomeni inspiegabili (ad esempio materia oscura ed energia oscura), gli scienziati hanno testato le previsioni del modello standard rispetto alle misurazioni e la teoria è passata a pieni voti, ad eccezione di alcune questioni in sospeso, tra cui un disaccordo decennale tra i dati e la teoria relativo alle proprietà magnetiche di una particella subatomica chiamata muone. 

Gli scienziati hanno aspettato due decenni per vedere se questa discrepanza è reale. E oggi l’attesa è finita. Una nuova misuraazione fa molto per dirci se la venerabile teoria avrà bisogno di essere rivista.

I muoni sono particelle subatomiche effimere, proprio come il più familiare elettrone. 

Come i loro fratelli elettroni, i muoni hanno carica elettrica e spin. Inoltre, decadono in circa un milionesimo di secondo, il che li rende difficili da studiare.

Gli oggetti caricati elettricamente che ruotano sono magneti ed i muoni non fanno eccezione. I fisici chiamano la forza magnetica di un magnete realizzato in questo modo il “momento magnetico” di una particella. Si può prevedere il momento magnetico sia degli elettroni che dei muoni usando la meccanica quantistica convenzionale degli anni ’30. 

Tuttavia, quando la prima misurazione del momento magnetico dell’elettrone fu compiuta nel 1948, era dello 0,1% troppo alta. La causa di questa piccola discrepanza è stata fatta risalire a un comportamento quantistico davvero strano. Alle scale di dimensioni più piccole, lo spazio non è quiescente. Invece, è un pasticcio che si contorce, con coppie di particelle e particelle di antimateria che appaiono e scompaiono in un batter d’occhio.

Non possiamo vedere questo mare frenetico di oggetti apparire e scomparire, ma se accetti che è vero e calcoli il suo effetto sul momento magnetico sia del muone che dell’elettrone, è esattamente in accordo con il minuscolo, 0,1%, eccesso, segnalato per la prima volta nel 1948.

Il modello standard della fisica delle particelle e l’esperimento muon g-2

Negli ultimi 70 anni, gli scienziati hanno predetto e misurato il momento magnetico sia del muone che dell’elettrone con una precisione sbalorditiva di dodici cifre di accuratezza. E misurazione e previsione concordano, cifra per cifra, per le prime dieci cifre. Ma non sono d’accordo per le ultime due. 

Inoltre, il disaccordo è più ampio di quanto possa essere spiegato dall’incertezza sulla previsione o sulla misurazione. Sembra che le misurazioni non siano d’accordo.

Se i dati e la teoria non sono d’accordo, c’è qualcosa di sbagliato o nei dati o nella teoria o in entrambi. 

È possibile che la misurazione fosse in qualche modo imprecisa. È anche possibile che il calcolo abbia un errore o che il calcolo non includa tutti gli effetti rilevanti. Se quest’ultima opzione è vera – effetti trascurati – significa che il modello standard della fisica delle particelle è incompleto. C’è almeno qualcosa di nuovo e inaspettato.

Negli ultimi due decenni, la migliore misurazione del momento magnetico del muone è stata quella effettuata dall’esperimento Muon g-2 al Brookhaven National Laboratory, a Long Island, New York (L’esperimento si pronuncia “muon gee meno due”). La “g-2” è storica e si riferisce specificamente solo allo 0,1% in eccesso rispetto alla previsione della meccanica quantistica standard. La meccanica quantistica standard prevede che il momento magnetico dell’elettrone o del muone sia “g”.

La discrepanza tra teoria e misurazione era piuttosto ampia. Se dividi la differenza per l’incertezza sperimentale e teorica combinate, il risultato è 3,7. Gli scienziati chiamano questo rapporto “sigma” e utilizzano sigma per valutare l’importanza di una misurazione. 

Se un sigma è inferiore a 3, gli scienziati dicono che non è interessante. Se sigma è compreso tra 3 e 5, gli scienziati iniziano a interessarsi e chiamano questo stato di cose “la prova di una scoperta“. Se sigma è superiore a 5, gli scienziati sono fiduciosi che la discrepanza sia reale e significativa. Per i sigma superiori a 5, gli scienziati di solito chiamano i loro articoli “Osservazione di …” Cinque sigma è un grosso problema.

Quindi, l’esperimento Muon g-2 a Brookhaven ha ottenne un risultato di 3.7 sigma, che è un grosso problema, ma non abbastanza grande da essere super eccitante. Era necessaria un’altra misurazione.

Tuttavia, l’impianto dell’acceleratore a Brookhaven aveva dato il suo massimo. Era necessaria una fonte più potente di muoni.E qui è entrato in gioco il Fermilab.

Quindi, i ricercatori hanno raggruppato l’apparato g-2 e lo hanno inviato al Fermilab. Ci sono volute due notti, ma il 26 luglio 2013 l’esperimento g-2 si è svolto al Fermilab.

Gli scienziati si sono quindi messi al lavoro, costruendo gli edifici, l’acceleratore e le infrastrutture necessarie per eseguire una misurazione migliore. Nella primavera del 2018, gli scienziati hanno iniziato a raccogliere dati. Ogni anno, l’esperimento opera per molti mesi, raccogliendo dati. Ogni anno è chiamato “corsa” e si prevede che l’esperimento Fermilab Muon g-2 effettuerà cinque serie, alcune delle quali in futuro.

La misurazione è incredibilmente precisa. Stanno misurando qualcosa con dodici cifre di precisione. È come misurare il perimetro della Terra con una precisione leggermente inferiore allo spessore di un foglio di carta per stampante per computer.

Questa recente misurazione effettuata utilizzando l’apparecchiatura g-2 al Fermilab ha confermato la precedente misurazione di Brookhaven. Quando i dati dei due laboratori vengono combinati, la discrepanza tra dati e teoria è ora di 4,2 sigma, allettante vicino allo standard desiderato di “Osservazione di”, ma non del tutto.

D’altra parte, la misurazione riportata oggi si basa su una singola corsa. Dati i miglioramenti all’acceleratore e alle strutture, i ricercatori si aspettano di registrare un numero di dati sedici volte superiore a quello riportato finora. 

Se la misurazione che coinvolge tutti i dati è coerente con la misurazione riportata oggi e la precisione della misurazione migliora come previsto, è molto probabile che l’esperimento g-2 dimostrerà definitivamente che il modello standard non è una teoria completa. Questa conclusione è prematura, ma sembra probabile.

Che cosa significa questo? La conclusione più solida che si può trarre è che, se le misurazioni future racconteranno la stessa storia, il modello standard necessita di modifiche. Sembra che stia succedendo qualcosa nel regno subatomico che sta dando al muone un momento magnetico diverso da quello previsto dal modello standard.

Quale potrebbe essere quella nuova fisica? Ebbene, è improbabile che il modello standard debba essere completamente scartato. Funziona semplicemente troppo bene su altre misurazioni che non sono altrettanto precise. Ciò che è più probabile è che esista una classe sconosciuta di particelle subatomiche che non sono state ancora scoperte. 

Una possibilità è che un’estensione del modello standard chiamata supersimmetria, sia vera. 

La supersimmetria prevede il doppio delle particelle subatomiche rispetto al modello standard. In una pura teoria supersimmetrica, queste nuove particelle avrebbero la stessa massa di quelle conosciute, ma questo è escluso da molte misurazioni. Tuttavia, potrebbe esserci una versione modificata della supersimmetria, che rende le particelle cugine non scoperte più pesanti di quelle conosciute. Se fosse vero, modificherebbe la previsione del momento magnetico del muone nel modo giusto per mettere d’accordo dati e teoria.

Ma la supersimmetria è solo una delle possibili spiegazioni. Il semplice fatto è che potrebbero esserci molti diversi tipi di particelle subatomiche che non sono stati scoperti. Forse qualche nuova teoria che spiega la materia oscura potrebbe essere rilevante. O qualcosa di completamente inimmaginato da nessuno a questo punto. Semplicemente non lo sappiamo.

Ma non sapere non è male. Significa solo che ci sono cose nuove da imparare, problemi da risolvere. I fisici teorici stanno già pensando a quali potrebbero essere le implicazioni della nuova misurazione e quali tipi di teorie potrebbero spiegarla. L’importante è accettare che una teoria venerabile e da tempo accettata sia incompleta e che abbiamo bisogno di ripensare le cose. Ecco come si fa la scienza.