I fisici del Fermilab hanno recentemente conseguito un traguardo significativo, realizzando la misurazione più precisa finora ottenuta del valore dell’oscillazione magnetica di una particella elementare nota come muone. Questo valore, a lungo oggetto di dibattito e ricerca, è stato determinato con una precisione straordinaria. Tuttavia, la notizia, per alcuni, è stata in parte deludente: questa misurazione è in forte accordo con le previsioni del Modello Standard, il che suggerisce che, almeno per ora, non vi siano indizi evidenti di una nuova fisica esotica, come molti ricercatori avevano sperato.
Comprendere il comportamento magnetico del muone
Un muone è una particella che presenta forti analogie con l’elettrone, distinguendosi principalmente per una massa significativamente maggiore, circa 207 volte quella dell’elettrone. Il modo in cui i muoni interagiscono con un campo magnetico dovrebbe, in teoria, essere altamente prevedibile, un fenomeno riassunto dal loro rapporto giromagnetico, o fattore g. In un sistema ideale e semplificato, il valore di g sarebbe esattamente 2. Tuttavia, la realtà è più complessa, e la “danza magnetica” del muone si rivela un’anomalia sottile. Analogamente a come il pi greco (π) è leggermente superiore a 3, il fattore g del muone si discosta leggermente da 2.
Secondo i recenti risultati dell’esperimento Muon g-2 del Fermilab, questa minima deviazione da 2 è quantificabile con una precisione eccezionale. Il nuovo valore misurato per il fattore g del muone è 2,001165920705. Questa misurazione finale incorpora i dati raccolti nel corso di sei anni di esperimenti condotti con acceleratori di particelle. Il team di ricerca ha sottolineato che questo numero presenta una precisione di 127 parti per miliardo. Per fornire un contesto di tale accuratezza, i ricercatori hanno paragonato questo livello di precisione alla capacità di determinare la larghezza degli Stati Uniti con una tale esattezza da poter rilevare l’assenza anche di un singolo granello di sabbia.
Nonostante la delusione iniziale per l’assenza di segnali di nuova fisica, l’aspetto veramente interessante di questa ricerca risiede nella meticolosa riduzione del margine di incertezza. Ciò limita in modo significativo lo “spazio” in cui eventuali nuove forze o particelle avrebbero potuto operare per spiegare il moto magnetico anomalo del muone, offrendo una base ancora più solida per future indagini.
Il mistero del muone g-2: teoria e sperimentazione a confronto
Un’iniziativa cruciale, denominata Muon g-2 Theory Initiative, ha intrapreso il compito di verificare le previsioni del Modello Standard per il valore dell’oscillazione magnetica del muone. Incorporando un set di dati più ampio che mai, il loro ultimo calcolo ha prodotto un valore di 0,00116592033. Questo risultato si allinea in modo straordinariamente preciso con il valore ottenuto attraverso le misurazioni sperimentali, lasciando un margine estremamente ridotto per qualsiasi nuova fisica esotica e interessante.
Come spiega Regina Rameika, fisica sperimentale presso l’Office of High Energy Physics del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, “Il momento magnetico anomalo, o g−2, del muone è importante perché fornisce un test sensibile del Modello Standard della fisica delle particelle.” Ha aggiunto: “Si tratta di un risultato entusiasmante ed è fantastico vedere un esperimento concludersi definitivamente con una misurazione di precisione”.
Quando un muone si muove all’interno di un campo magnetico, ci si aspetterebbe che i suoi poli si allineassero perfettamente con il campo stesso. Tuttavia, il muone presenta una leggera oscillazione, simile a una trottola che gira in modo leggermente sbilanciato. Se questa oscillazione fosse particolarmente pronunciata, potrebbe indicare che è influenzato da particelle sconosciute e invisibili.
Il motivo di questa sensibilità risiede nella natura stessa del vuoto quantistico. Il vuoto, infatti, non è mai realmente vuoto. Grazie alle fluttuazioni quantistiche, coppie di particelle virtuali appaiono e scompaiono continuamente per brevissimi istanti. Questi “intrusi” temporanei nella nostra realtà possono influenzare altre particelle vicine in vari modi. A causa del suo peso relativo, il muone è particolarmente sensibile all’influenza di queste particelle virtuali.
Misurando con estrema precisione l’oscillazione del muone, superando il suo intervallo previsto dal Modello Standard, i fisici potrebbero riuscire a calcolare le proprietà di queste elusive particelle virtuali. Ciò potrebbe potenzialmente aprire un nuovo regno della fisica, estendendo la nostra comprensione oltre i confini del Modello Standard, con possibili spiegazioni che includono l’esistenza di fotoni oscuri o la supersimmetria.
Evoluzione delle misurazioni e della teoria
Per decenni, il fattore g del muone ha rappresentato un’intrigante anomalia nel campo della fisica delle particelle. Le prime indicazioni di una potenziale discrepanza emersero nel 2001, quando la versione iniziale dell’esperimento Muon g−2 rivelò una significativa divergenza tra le previsioni teoriche e i risultati sperimentali.
Nei decenni successivi, una serie di esperimenti ha portato a misurazioni progressivamente più precise, mentre le metodologie per calcolare le previsioni del Modello Standard sono state parallelamente perfezionate. Nonostante questi avanzamenti su entrambi i fronti, una discrepanza persistente ha continuato a caratterizzare il valore del fattore g del muone, alimentando le speranze di una fisica al di là del Modello Standard.
La versione più recente dell’esperimento Muon g−2 ha preso il via nel 2018, conducendo una nuova serie di analisi ogni anno fino al 2023. I dati delle prime tre di queste serie erano stati pubblicati in due lotti distinti, ciascuno dei quali sembrava rafforzare l’ipotesi di una nuova fisica.
L’ultima misurazione divulgata incorpora l’intera raccolta di dati derivanti da tutte e sei le analisi, triplicando di fatto il set di dati utilizzato per la versione precedente. Questi dati non solo sono numericamente superiori, ma vantano anche una qualità intrinsecamente migliorata, grazie ai perfezionamenti apportati alle apparecchiature sperimentali.
Per coloro che nutrivano la speranza di aggiungere nuovi capitoli ai testi di fisica, i risultati attuali suggeriscono che, in questo specifico contesto, il comportamento del muone sia in accordo con le previsioni del Modello Standard. Ciò non implica, naturalmente, che la nostra comprensione dell’universo sia completa; concetti come la materia oscura e la gravità rimangono ancora al di fuori della descrizione fornita dal Modello Standard, indicando che vi sono ancora numerose lacune da colmare nel nostro sapere scientifico.
La ricerca è stata inviata alla rivista Physical Review Letters ed è disponibile sul server di preprint arXiv.
