Nonostante il suo enorme successo nel predire l’esistenza di nuove particelle e forze, il Modello standard della fisica delle particelle, progettato oltre 50 anni fa per spiegare i più piccoli elementi costitutivi della natura, non è la “teoria del tutto” completa che i fisici desideravano ardentemente.
La teoria ha diversi problemi. Non descrive né la gravità né le componenti sconosciute che costituiscono la maggior parte della densità di energia nell’universo: materia oscura ed energia oscura. I fisici delle particelle sono quindi in una caccia al tesoro alla ricerca di ogni possibile deviazione dal comportamento “previsto” che potrebbe suggerire una nuova fisica.
Ora, un grande team internazionale di fisici che lavora all’esperimento Muon g-2 al Fermilab negli Stati Uniti, ha effettuato una misurazione di come oscilla una certa particella fondamentale che potrebbe avere un impatto enorme sullo stato del Modello standard.
Il risultato, che non è stato ancora sottoposto a peer review ma è stato sottoposto a Physical Review Letters, supporta i risultati del 2021 e fa luce su un enorme enigma della fisica teorica, per il quale una possibile soluzione potrebbe essere costituita da nuove particelle o forze che influenzano la misurazione.
Un elemento fondamentale del Modello standard è il muone, una particella simile a un elettrone ma 200 volte più massiccia. Il muone ha una lunga storia nel rivoluzionare la fisica delle particelle: anche la sua scoperta è stata uno shock.
L’esperimento studia come queste particelle interagiscono con un campo magnetico di 1,45 Tesla. Questo fa oscillare i muoni come trottole, con la velocità dell’oscillazione proporzionale alla forza del campo.
L’esperimento produce e immagazzina miliardi di muoni in un magnete circolare di 14 metri di diametro chiamato anello di accumulazione. Alla fine, i muoni decadono in elettroni, che vengono contati dai rivelatori all’interno dell’anello.
Un’altra stranezza della natura significa che il numero di elettroni rilevati varia proporzionalmente alla velocità dell’oscillazione. Quindi il conteggio degli elettroni ci dice la velocità dell’oscillazione dei muoni. E più elettroni si contano, più precisa diventa la misurazione.
L’interazione tra l’oscillazione del muone e il campo è quantificata da una costante adimensionale chiamata “g”, il rapporto giromagnetico. Il fisico Paul Dirac ha previsto che il suo valore fosse g = 2. Ma secondo la meccanica quantistica, la teoria che governa il mondo subatomico su cui si basa il Modello standard è che lo spazio vuoto è pieno di particelle “virtuali”, che appaiono per un momento fugace e poi scomparire di nuovo per annientamento.
Queste particelle influenzano l’interazione del muone con il campo magnetico, aumentando g fino a poco più di 2. Per questo l’esperimento, che studia questa differenza, si chiama “g-2”. Eventuali pezzi mancanti nel Modello standard modificherebbero il tasso di una quantità leggermente superiore o inferiore a quella prevista, rendendolo un potente strumento di ricerca per la nuova fisica.
Una misurazione presso il Brookhaven National Laboratory negli Stati Uniti ha fatto scalpore nel 2004 dopo aver scoperto che l’oscillazione era leggermente più veloce del previsto, suggerendo potenzialmente qualcosa di nuovo. Il valore è stato nuovamente misurato al Fermilab nell’aprile 2021, confermando la misurazione originale e aumentando la dimensione del divario tra esperimento e teoria.
Ora, il nuovo risultato del Fermilab, utilizzando i dati raccolti nel 2019 e nel 2020, esamina quattro volte più muoni del risultato del 2021, riducendo l’incertezza totale di un fattore due. Ciò rende la misurazione la determinazione più precisa mai effettuata dell’oscillazione del muone.
Aumento della precisione
In pratica, l’esperimento è molto più impegnativo del semplice conteggio dei muoni. Mentre l’incertezza statistica è stata ridotta, sono stati necessari altri miglioramenti per rendere la misurazione ancora più precisa. La direzione del campo magnetico determina l’asse dell’oscillazione, quindi era fondamentale tenere sotto controllo le fluttuazioni di temperatura del magnete.
Le differenze di temperatura provocano anche l’espansione e la contrazione dei pezzi del magnete, il che modifica leggermente il campo magnetico. A questo livello di precisione, anche un cambiamento di un millesimo di millimetro potrebbe avere un enorme effetto sull’oscillazione. Per questo motivo è stato installato un cappotto termico attorno all’anello e un sistema di raffreddamento nella sala sperimentale.
Un’altra sfida è il fatto che i muoni nell’anello non vogliono rimanere su un’orbita perfettamente circolare, piuttosto amano nuotare ed esplorare tutte le regioni dell’anello. Hanno quindi aggiornato i sistemi ad alta tensione che spingono il raggio nel posto giusto.
Convenzionalmente, i fisici delle particelle stimano quanto bene due risultati (per esempio uno teorico e uno sperimentale) concordano usando una misura statistica chiamata sigma. Questo può stimare le probabilità che qualsiasi differenza sia un colpo di fortuna statistico. Tuttavia, questa volta non ha senso, perché sta diventando sempre più poco chiaro con quale previsione del Modello standard dovremmo confrontare il risultato.
Una collaborazione di teorici, chiamata Muon g-2 Theory Initiative, ha calcolato il loro valore nel 2020. Questo è ciò che è stato utilizzato nel 2021, dando un sigma di 4,2, che ha suggerito che la possibilità che il risultato fosse un colpo di fortuna era una su 40.000. Ma da allora, ci sono stati sviluppi che hanno prodotto nuove previsioni: una da un nuovo approccio di un altro gruppo di teorici.
C’è stata anche una misurazione sperimentale aggiornata dalla collaborazione CMD-3 in Russia che confluirà in eventuali nuovi calcoli. Questi potrebbero modificare il valore 2020, avvicinandoli potenzialmente al Modello Standard.
È evidente che ci sono enormi sfide su entrambi i lati della storia, dove la teoria non è nemmeno d’accordo con la teoria. La collaborazione sta ora lavorando al nuovo risultato sperimentale finale, previsto per il 2025, utilizzando l’intero set di dati, oltre il doppio dei dati. Ma fino a quando la controversia sulla teoria non sarà risolta, ci sarà una nuvola di dubbi che incombe su qualsiasi interpretazione della discrepanza.
Ci sono due possibili esiti. La teoria e l’esperimento potrebbero alla fine non essere d’accordo, il che significa che nuove particelle o forze della natura si sono sempre nascoste qui. Ciò potrebbe significare che il modello standard alla fine fallirà, necessitando di un aggiornamento. Oppure, le previsioni aggiornate colmano il divario, il che rappresenterebbe un enorme impulso per il modello standard.
In ogni caso, questa misurazione ultra precisa pone le basi per lo scontro finale.
Autore
Dominika Vasilkova, Ce Zhang, Elia Bottalico, Saskia Charity, University of Liverpool
