Studiare i muonio per rivelare una nuova fisica oltre il Modello standard

Il muonio è un atomo esotico composto da un antimuone (positivo), che adempie la funzione di nucleo, e un elettrone.

Venne scoperto nel 1960 Vernon W. Hughes; ad esso è stato attribuito il simbolo Mu, ma è anche rappresentato con i simboli delle particelle costituenti: μ⁺e⁻. Quest’atomo esotico ha una vita media di 2,2 μs, durante i quali può formare composti, come il cloruro di muonio (MuCl) e il muoniuro di sodio (NaMu).

A causa de fatto che la massa ridotta μ del sistema muone – elettrone è quasi uguale a quella del sistema protone – elettrone (μ ≈ ½ m_e), i parametri energetici del muonio sono quasi uguali a quelli di un atomo d’idrogeno e differiscono nettamente da quelli del positronio. Infatti il suo raggio di Bohr e la sua energia di ionizzazione differiscono da quelli dell’idrogeno (o del deuterio o del trizio) per meno dello 0,5%.

I fisici considerano il muonio un isotopo dell’idrogeno e, per la sua vita breve, lo usano in una variante della spettroscopia a risonanza dello spin elettronico per l’analisi delle trasformazioni chimiche e delle strutture dei composti con proprietà elettroniche potenzialmente valutabili (questa forma di risonanza dello spin elettronico è chiamata risonanza dello spin muonico o μSR). Ci sono altre forme di “risonanza dello spin muonico“, per esempio la muon spin rotation, che consiste nell’introdurre un campo magnetico trasversalmente al raggio di muoni, e l’Avoided Level Crossing (ALC), chiamato anche Level Crossing Resonance (LCR). Qualcuno considera il muonio il secondo radioisotopo dell’idrogeno, dopo il trizio.

Studiando l’atomo esotico chiamato muonio, i ricercatori sperano che di rilevare muoni anomali che svelino il modello standard della fisica delle particelle. Per fare il muonio, usano il raggio continuo più intenso di muoni a bassa energia nel mondo al Paul Scherrer Institute Psi. La ricerca è stata pubblicata su Nature Communications.

Il muone è spesso descritto come il cugino pesante dell’elettrone. Una descrizione più appropriata potrebbe definirlo come la sua relazione canaglia. Dalla sua scoperta, il muone ha ingannato gli scienziati con il suo comportamento trasgressivo.

L’anomalia più famosa del muone è quello di oscillare leggermente troppo in un campo magnetico: il suo momento magnetico anomalo ha fatto notizia con l’esperimento del muone g-2 del 2021 al Fermilab. Il muone ha anche causato notevoli problemi quando è stato utilizzato per misurare il raggio del protone, dando origine a un valore enormemente diverso rispetto alle misurazioni precedenti e a quello che divenne noto come il puzzle del raggio del protone.

Tuttavia il muone è apprezzato per il suo comportamento sorprendente, che lo rende un probabile candidato per rivelare nuova fisica oltre il Modello standard.

Con l’obiettivo di dare un senso allo strano comportamento del muone, i ricercatori del PSI e dell’ETH di Zurigo si sono rivolti a un atomo esotico noto come muonio. Formato da un muone positivo orbitato da un elettrone, il muonio è simile all’idrogeno ma molto più semplice. Mentre il protone dell’idrogeno è costituito da quark, il muone positivo del muonio non ha sottostruttura. E questo significa che fornisce un sistema modello molto pulito da cui risolvere questi problemi: per esempio, ottenendo valori estremamente precisi di costanti fondamentali come la massa del muone.

“Con il muonio, poiché possiamo misurare le sue proprietà in modo così preciso, possiamo provare a rilevare qualsiasi deviazione dal Modello standard. E se ci riuscissimo, potremmo dedurre quali delle teorie che vanno oltre il Modello standard sono praticabili o meno“, spiega Paolo Crivelli dell’ETH di Zurigo, che sta conducendo lo studio sostenuto da una sovvenzione dell’European Research Council Consolidator nell’ambito del progetto Mu-MASS.

Una sfida importante per effettuare queste misurazioni in modo molto preciso è avere un fascio intenso di particelle di muonio in modo da poter ridurre gli errori statistici. Fare molto muonio, che tra l’altro dura solo due microsecondi, non è semplice. C’è un solo posto al mondo in cui sono disponibili abbastanza muoni positivi a bassa energia per farlo: la Swiss Muon Source di PSI.

“Per produrre muonio in modo efficiente, abbiamo bisogno di usare muoni lenti. Quando vengono prodotti per la prima volta, vanno a un quarto della velocità della luce. Dobbiamo quindi rallentarli di un fattore mille senza perderli. Al PSI, abbiamo perfezionato quest’arte. Abbiamo la fonte continua più intensa di muoni a bassa energia al mondo. Quindi siamo in una posizione unica per eseguire queste misurazioni“, afferma Thomas Prokscha, che dirige il gruppo Low Energy Muons presso PSI.

Alla linea di luce dei muoni a bassa energia, i muoni lenti passano attraverso un bersaglio a lamina sottile dove raccolgono gli elettroni per formare il muonio. Mentre emergono, il team di Crivelli è in attesa di sondare le loro proprietà utilizzando la spettroscopia a microonde e laser.

Un piccolo cambiamento nei livelli di energia potrebbe essere la chiave

La proprietà del muonio che i ricercatori sono in grado di studiare in modo così dettagliato sono i suoi livelli di energia. Nella recente pubblicazione, i team sono stati in grado di misurare per la prima volta una transizione tra alcuni sottolivelli energetici molto specifici nel muonio. Isolata da altri cosiddetti livelli iperfini, la transizione può essere modellata in modo estremamente pulito. La capacità di misurarla ora faciliterà altre misurazioni di precisione: in particolare, per ottenere un valore migliorato di una quantità importante nota come spostamento di Lamb.

Lo spostamento di Lamb è un minuscolo cambiamento in alcuni livelli di energia nell’idrogeno rispetto a dove “dovrebbero” essere come previsto dalla teoria classica. Il cambiamento è stato spiegato con l’avvento dell’elettrodinamica quantistica (la teoria quantistica di come luce e materia interagiscono). Tuttavia, come discusso, nell’idrogeno, i protoni, che possiedono una sottostruttura, complicano le cose. Un Lamb shift ultra preciso misurato in muonio potrebbe mettere alla prova la teoria dell’elettrodinamica quantistica.

C’è dell’altro. Il muone è nove volte più leggero del protone. Ciò significa che gli effetti relativi alla massa nucleare, come il modo in cui una particella si ritrae dopo aver assorbito un fotone di luce, vengono potenziati. Non rilevabile nell’idrogeno, un percorso verso questi valori ad alta precisione nel muonio potrebbe consentire agli scienziati di testare alcune teorie che spiegherebbero l’anomalia del muone g-2: ad esempio, l’esistenza di nuove particelle come i bosoni di gauge scalari o vettoriali.

Mettere il muone sulla bilancia

Per quanto eccitante possa essere il potenziale di questo, il team ha un obiettivo più grande nel mirino: pesare il muone. Per fare ciò, misureranno una diversa transizione nel muonio con una precisione mille volte maggiore che mai.

Un valore di altissima precisione della massa del muone – l’obiettivo è 1 parte per miliardo – sosterrà gli sforzi in corso per ridurre ulteriormente l’incertezza per il muone g-2. “La massa del muone è un parametro fondamentale che non possiamo prevedere con la teoria, e quindi man mano che la precisione sperimentale migliora, abbiamo un disperato bisogno di un valore migliore della massa del muone come input per i calcoli“, spiega Crivelli.

La misurazione potrebbe anche portare a un nuovo valore della costante di Rydberg, un’importante costante fondamentale nella fisica atomica, indipendente dalla spettroscopia dell’idrogeno. Questo potrebbe spiegare le discrepanze tra le misurazioni che hanno dato origine al puzzle del raggio del protone, e forse anche risolverlo una volta per tutte.

Dato che il limite principale per tali esperimenti è produrre abbastanza muonio per ridurre gli errori statistici, le prospettive per questa ricerca al PSI sembrano rosee.

“Con i fasci di muoni ad alta intensità previsti per il progetto IMPACT potremmo potenzialmente aumentare la precisione di un fattore cento, e questo diventerebbe molto interessante per il modello standard“, afferma Prokscha.