La fisica moderna è un mondo di misteri profondi, enigmi che sfidano le leggi della logica e della comprensione umana. Un modo in cui i fisici cercano di svelare questi misteri è quello di “schiacciare” la materia insieme e ispezionare i detriti risultanti da queste collisioni. Questi esperimenti distruttivi, noti per essere incredibilmente informativi, hanno contribuito in modo significativo alla nostra comprensione del mondo subatomico, ma hanno i loro limiti. Tuttavia, due scienziati, impegnati nello studio della fisica nucleare e delle particelle presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, hanno introdotto un nuovo metodo rivoluzionario per esplorare il mondo delle particelle subatomiche. In un articolo recentemente pubblicato su Physical Review Letters, hanno presentato un innovativo approccio per misurare la velocità di oscillazione di una particella chiamata tauone. Questa scoperta è stata accolta con grande entusiasmo dalla comunità scientifica, poiché potrebbe gettare nuova luce sulle crepe emergenti nelle leggi conosciute della fisica.
La danza delle particelle subatomiche
Per comprendere appieno l’importanza di questa ricerca, è necessario iniziare con una panoramica del concetto di “oscillazione” delle particelle subatomiche. Nel mondo delle particelle subatomiche, gli elettroni, i mattoni fondamentali degli atomi, hanno due cugini più pesanti conosciuti come muoni e tauoni. I tauoni sono i più pesanti di questa famiglia di tre, ma sono anche i più misteriosi poiché esistono solo per brevissimi istanti.
Una caratteristica affascinante di queste particelle è che quando vengono inserite in un campo magnetico, esse iniziano a “oscillare” in modo simile a come un trottola inizia a ruotare su un tavolo. Questo fenomeno è noto come il “momento magnetico” di una particella. Utilizzando il Modello Standard della fisica delle particelle, la teoria più accettata sulle interazioni tra particelle, è possibile prevedere con precisione la velocità con cui queste particelle dovrebbero “oscillare”.
Fin dagli anni ’40, i fisici hanno cercato di misurare i momenti magnetici delle particelle subatomiche per scoprire effetti intriganti nel mondo quantistico. Secondo la fisica quantistica, nubi di particelle e antiparticelle appaiono costantemente e scompaiono in modo fugace. Queste fluttuazioni sfumate influenzano leggermente la velocità con cui gli elettroni, i muoni e i tauoni oscillano all’interno di un campo magnetico. Misurando questa oscillazione con estrema precisione, i fisici possono scrutare all’interno di questa “nuvola” per scoprire possibili indizi di particelle non ancora scoperte.
Un’epoca di misurazioni precise
L’importanza di misurare con precisione i momenti magnetici delle particelle subatomiche non può essere sottolineata a sufficienza. Nel 1948, il fisico teorico Julian Schwinger calcolò per la prima volta come questa “nuvola” quantistica influenzi il momento magnetico dell’elettrone. Da allora, i fisici sperimentali hanno misurato la velocità di “oscillazione” dell’elettrone con una straordinaria precisione, fino a 13 decimali.
Tuttavia, più una particella è pesante, più il sua oscillazione cambierà a causa delle nuove particelle non ancora scoperte che si aggirano nella sua “nuvola” quantistica. Gli elettroni sono così leggeri che questa leggerezza limita la loro sensibilità alle nuove particelle.
I muoni e i tauoni sono molto più pesanti rispetto agli elettroni, ma sono anche molto più brevemente vivi. Mentre i muoni esistono solo per pochi microsecondi, nel 2021 gli scienziati di Fermilab vicino a Chicago hanno misurato il momento magnetico del muone con una precisione di 10 decimali. Ciò ha rivelato che i muoni “oscillavano” in modo significativamente più veloce rispetto alle previsioni del Modello Standard, suggerendo che particelle sconosciute potrebbero apparire nella “nuvola” quantistica del muone.
I tauoni sono le particelle più pesanti della famiglia delle particelle e sono 17 volte più massicce di un muone e addirittura 3.500 volte più pesanti di un elettrone. Questa caratteristica li rende estremamente sensibili alle particelle non ancora scoperte nelle loro “nuvole” quantistiche. Tuttavia, i tauoni sono anche le più difficili da osservare, poiché la loro esistenza è estremamente breve, durando solo un milionesimo del tempo di un muone.
Fino ad ora, la migliore misurazione del momento magnetico del tauone è stata effettuata nel 2004 utilizzando un collider di elettroni ormai ritirato presso il CERN. Nonostante l’enorme impresa scientifica, quella sperimentazione poteva misurare la velocità di oscillazione del taune solo con due decimali di precisione. Sfortunatamente, per testare il Modello Standard, i fisici avrebbero bisogno di una misurazione dieci volte più precisa.
Ioni di piombo per la rivoluzione nella fisica subatomica
Dopo la misurazione del momento magnetico del tauone nel 2004, i fisici hanno iniziato a cercare nuovi modi per misurare l’oscillazione del tauone. Il Large Hadron Collider solitamente fa collidere i nuclei di due atomi, da cui il nome “collider”. Queste collisioni frontali generano una pirotecnia di detriti che può includere i tauoni, ma le condizioni rumorose precludono misurazioni accurate del momento magnetico del tauone.
Dal 2015 al 2018, è stato condotto un esperimento presso il CERN progettato principalmente per consentire ai fisici nucleari di studiare materia calda ed esotica creata in collisioni frontali. Le particelle utilizzate in questo esperimento erano nuclei di piombo privati dei loro elettroni, noti come ioni di piombo. Gli ioni di piombo sono carichi e generano forti campi elettromagnetici.
Gli ioni di piombo contengono particelle di luce chiamate fotoni. Quando due ioni di piombo collidono, i loro fotoni possono anch’essi collidere e convertire tutta la loro energia in una coppia di particelle. Sono state queste collisioni di fotoni che gli scienziati hanno utilizzato per misurare i muoni.
Tuttavia, questi esperimenti con ioni di piombo si sono conclusi nel 2018, ma è stato solo nel 2019 che uno dei ricercatori, Jesse Liu, ha collaborato con la fisica delle particelle Lydia Beresford a Oxford, in Inghilterra, e ha realizzato che i dati provenienti dagli stessi esperimenti con ioni di piombo potevano essere utilizzati per qualcosa di nuovo: misurare il momento magnetico del tauone.
Questa scoperta è stata una sorpresa totale. Il motivo è il seguente: gli ioni di piombo sono così piccoli che spesso si sfiorano appena nelle collisioni degli esperimenti. Tuttavia, occasionalmente, gli ioni passano molto vicini l’uno all’altro senza toccarsi. Quando ciò accade, i loro fotoni accompagnatori possono ancora scontrarsi mentre gli ioni continuano a volare indisturbati.
Queste collisioni di fotoni possono creare una varietà di particelle, tra cui i muoni nell’esperimento precedente e, sorprendentemente, i tauoni. Tuttavia, senza i fuochi d’artificio caotici prodotti dalle collisioni frontali, questi eventi di “vicini-scontri” sono molto più tranquilli e ideali per misurare le caratteristiche del tauone, una particella sfuggente.
Con grande entusiasmo, il team ha esaminato i dati del 2018 e ha scoperto che questi eventi di “vicini-scontri” con ioni di piombo stavano creando particelle tau. Si era scoperto un nuovo esperimento nascosto sotto i loro occhi.
Prima misurazione dell’oscillazione tau in due decenni
Nell’aprile 2022, il team del CERN ha annunciato di aver trovato evidenze dirette delle particelle tau create durante i “vicini-scontri” con gli ioni di piombo. Utilizzando questi dati, il team è stato in grado di misurare il momento magnetico del tau, la prima volta che una misurazione del genere veniva effettuata dal 2004. I risultati finali sono stati pubblicati il 12 ottobre 2023.
Questa scoperta epocale ha permesso di misurare l’oscillazione del tau con una precisione di due decimali. Sorprendentemente, questo nuovo metodo ha eguagliato la migliore misurazione precedente utilizzando solamente un mese di dati raccolti nel 2018.
Dopo quasi vent’anni di mancanza di progressi sperimentali, questo risultato ha aperto un percorso completamente nuovo e importante verso il miglioramento decuplicato della precisione necessaria per testare le previsioni del Modello Standard. In modo entusiasmante, ci sono più dati all’orizzonte.
Il Large Hadron Collider ha appena ripreso la raccolta di dati sugli ioni di piombo il 28 settembre 2023, dopo lavori di manutenzione e aggiornamenti di routine.
Le particelle tau rappresentano una delle migliori finestre dei fisici verso il enigmatico mondo quantistico, e siamo entusiasti di scoprire quali sorprese i risultati futuri potrebbero rivelare sulla natura fondamentale dell’universo.
