Alcune settimane fa, sulla rivista Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021)), sono stati pubblicati i risultati di un esperimento molto importante svolto al Fermilab di Chicago, in cui è stata realizzata una misura molto precisa del fattore giromagnetico g del muone. Di cosa si tratta? Il muone è una particella di carica negativa e al pari dell’elettrone, con il quale condivide l’appartenenza alla famiglia dei leptoni, è una particella elementare, cioè non possiede alcuna struttura interna. I muoni sono particelle molto comuni, tanto che ogni secondo il nostro corpo è attraversato da decine di muoni provenienti dalle fasce alte dell’atmosfera, dove sono prodotti continuamente dai raggi cosmici che arrivano dallo spazio; si tratta però di particelle instabili e hanno un tempo di vita di pochi microsecondi soltanto. Così come l’elettrone, il muone si comporta come un piccolo magnete, la cui intensità è espressa da un numero g di poco maggiore di 2, il cosiddetto “fattore giromagnetico”, che può essere calcolato con estrema precisione a partire dal Modello Standard, la teoria con la quale descriviamo i processi fisici fondamentali che avvengono nell’intero Universo.
Nell’esperimento del Fermilab i muoni sono stati intrappolati in un anello del raggio di 14 metri grazie a un campo magnetico molto intenso, circa 20000 volte maggiore di quello terrestre. Questo campo, oltre a intrappolare i muoni, provoca anche una rotazione del loro momento magnetico (così come i poli magnetici terrestri orientano l’ago della bussola). Misurando la velocità di questa rotazione i ricercatori del Fermilab hanno ricavato il valore dell’anomalia giromagnetica del muone a = (g – 2) / 2, cioè la misura di quanto il fattore giromagnetico si discosta dal valore di 2. Questa misura è stata combinata con il risultato di un primo esperimento conclusosi nel 2001 al Brookhaven National Laboratory (New York), per dare il risultato finale a = 0.00116592061(41), con un’incertezza di soltanto 0.35 parti per milione. L’importanza di questo risultato, e il conseguente fermento che ha creato nel mondo scientifico, è data dal fatto che la misura è in disaccordo con il valore teorico predetto dal Modello Standard a = 0.00116591810(43). La differenza è molto piccola ma statisticamente significativa, al livello di 4.2 deviazioni standard: tradotto in termini meno tecnici, significa che, se le precisioni della misura e del calcolo teorico sono state valutate correttamente, la probabilità che questo disaccordo sia reale è superiore al 99.99%!
Quali sono le implicazioni di questo esperimento? È un importante campanello di allarme. La storia della Fisica è piena di scoperte, a volte inseguite con fatica ma spesso avvenute anche per caso, dove una deviazione del risultato sperimentale dalla previsione della teoria fino a quel momento accettata ha portato all’elaborazione di nuovi modelli e nuove teorie (si pensi ad esempio alla nascita della meccanica quantistica a inizio ‘900). Questo potrebbe essere uno di quei casi in cui il risultato di un esperimento ci avverte dell’esistenza di “nuova fisica”. Oppure no? Prima di gettare via un apparato teorico così collaudato e verificato come il Modello Standard (che ha avuto pochi anni fa la sua conferma “definitiva” con la scoperta del bosone di Higgs), è necessario essere molto cauti e procedere a verifiche ulteriori e a misure ancora più accurate, per sgombrare ogni possibile dubbio. In situazioni come queste la soluzione più auspicabile sarebbe quella di ripetere la misura con una tecnica diversa, per escludere possibili effetti sistematici nascosti nello specifico metodo sperimentale; simili misure molto più accurate sono state realizzate per il fattore giromagnetico dell’elettrone, combinando tecniche come quella utilizzata per il muone con i risultati della spettroscopia laser di precisione, che hanno portato a una misura del g dell’elettrone molto solida e ben verificata (quella, invece, in accordo con il Modello Standard). Oppure ci potrebbero essere errori nei calcoli? Il valore teorico del g del muone viene ricavato a partire dalle equazioni del Modello Standard dopo calcoli lunghissimi ed estremamente complessi, anch’essi soggetti a un’incertezza, che è confrontabile con quella della misura sperimentale.
Insomma, c’è ancora molto da lavorare per verificare e consolidare questo importante risultato. In caso di conferma gli scenari che si aprono sono molteplici e potrebbero portare a spiegare alcuni dei grandi misteri ancora irrisolti della Fisica. Sappiamo già che attraverso il Modello Standard non riusciamo a spiegare tutto, ad esempio non riusciamo a spiegare l’esistenza e le proprietà della materia oscura e dell’energia oscura che permeano l’Universo. Potrebbe questo esperimento aiutarci a estendere il Modello Standard nella direzione giusta per risolvere questi misteri e dare una descrizione ancora più completa della realtà? Forse sì. Congratulazioni intanto a tutto il team coinvolto nell’esperimento, nel quale figura una partecipazione molto nutrita di ricercatori italiani, che, grazie a un importante lavoro di sinergia fra Enti di ricerca e Università, hanno contributo in maniera decisiva al raggiungimento del risultato. Fra gli enti coinvolti vi sono l’INFN, la Scuola Normale Superiore di Pisa e anche le competenze altamente specializzate dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, che hanno fornito un contributo determinante per il miglioramento della precisione di misura attraverso lo sviluppo di una nuova tecnologia laser per la calibrazione dei rivelatori utilizzati nell’esperimento.
Alcune settimane fa, sulla rivista Physical Review Letters (Phys. Rev. Lett. 126, 141801 (2021)), sono stati pubblicati i risultati di un esperimento molto importante svolto al Fermilab di Chicago, in cui è stata realizzata una misura molto precisa del fattore giromagnetico g del muone. Di cosa si tratta? Il muone è una particella di carica negativa e al pari dell’elettrone, con il quale condivide l’appartenenza alla famiglia dei leptoni, è una particella elementare, cioè non possiede alcuna struttura interna. I muoni sono particelle molto comuni, tanto che ogni secondo il nostro corpo è attraversato da decine di muoni provenienti dalle fasce alte dell’atmosfera, dove sono prodotti continuamente dai raggi cosmici che arrivano dallo spazio; si tratta però di particelle instabili e hanno un tempo di vita di pochi microsecondi soltanto. Così come l’elettrone, il muone si comporta come un piccolo magnete, la cui intensità è espressa da un numero g di poco maggiore di 2, il cosiddetto “fattore giromagnetico”, che può essere calcolato con estrema precisione a partire dal Modello Standard, la teoria con la quale descriviamo i processi fisici fondamentali che avvengono nell’intero Universo.
Nell’esperimento del Fermilab i muoni sono stati intrappolati in un anello del raggio di 14 metri grazie a un campo magnetico molto intenso, circa 20000 volte maggiore di quello terrestre. Questo campo, oltre a intrappolare i muoni, provoca anche una rotazione del loro momento magnetico (così come i poli magnetici terrestri orientano l’ago della bussola). Misurando la velocità di questa rotazione i ricercatori del Fermilab hanno ricavato il valore dell’anomalia giromagnetica del muone a = (g – 2) / 2, cioè la misura di quanto il fattore giromagnetico si discosta dal valore di 2. Questa misura è stata combinata con il risultato di un primo esperimento conclusosi nel 2001 al Brookhaven National Laboratory (New York), per dare il risultato finale a = 0.00116592061(41), con un’incertezza di soltanto 0.35 parti per milione. L’importanza di questo risultato, e il conseguente fermento che ha creato nel mondo scientifico, è data dal fatto che la misura è in disaccordo con il valore teorico predetto dal Modello Standard a = 0.00116591810(43). La differenza è molto piccola ma statisticamente significativa, al livello di 4.2 deviazioni standard: tradotto in termini meno tecnici, significa che, se le precisioni della misura e del calcolo teorico sono state valutate correttamente, la probabilità che questo disaccordo sia reale è superiore al 99.99%!
Quali sono le implicazioni di questo esperimento? È un importante campanello di allarme. La storia della Fisica è piena di scoperte, a volte inseguite con fatica ma spesso avvenute anche per caso, dove una deviazione del risultato sperimentale dalla previsione della teoria fino a quel momento accettata ha portato all’elaborazione di nuovi modelli e nuove teorie (si pensi ad esempio alla nascita della meccanica quantistica a inizio ‘900). Questo potrebbe essere uno di quei casi in cui il risultato di un esperimento ci avverte dell’esistenza di “nuova fisica”. Oppure no? Prima di gettare via un apparato teorico così collaudato e verificato come il Modello Standard (che ha avuto pochi anni fa la sua conferma “definitiva” con la scoperta del bosone di Higgs), è necessario essere molto cauti e procedere a verifiche ulteriori e a misure ancora più accurate, per sgombrare ogni possibile dubbio. In situazioni come queste la soluzione più auspicabile sarebbe quella di ripetere la misura con una tecnica diversa, per escludere possibili effetti sistematici nascosti nello specifico metodo sperimentale; simili misure molto più accurate sono state realizzate per il fattore giromagnetico dell’elettrone, combinando tecniche come quella utilizzata per il muone con i risultati della spettroscopia laser di precisione, che hanno portato a una misura del g dell’elettrone molto solida e ben verificata (quella, invece, in accordo con il Modello Standard). Oppure ci potrebbero essere errori nei calcoli? Il valore teorico del g del muone viene ricavato a partire dalle equazioni del Modello Standard dopo calcoli lunghissimi ed estremamente complessi, anch’essi soggetti a un’incertezza, che è confrontabile con quella della misura sperimentale.
Insomma, c’è ancora molto da lavorare per verificare e consolidare questo importante risultato. In caso di conferma gli scenari che si aprono sono molteplici e potrebbero portare a spiegare alcuni dei grandi misteri ancora irrisolti della Fisica. Sappiamo già che attraverso il Modello Standard non riusciamo a spiegare tutto, ad esempio non riusciamo a spiegare l’esistenza e le proprietà della materia oscura e dell’energia oscura che permeano l’Universo. Potrebbe questo esperimento aiutarci a estendere il Modello Standard nella direzione giusta per risolvere questi misteri e dare una descrizione ancora più completa della realtà? Forse sì. Congratulazioni intanto a tutto il team coinvolto nell’esperimento, nel quale figura una partecipazione molto nutrita di ricercatori italiani, che, grazie a un importante lavoro di sinergia fra Enti di ricerca e Università, hanno contributo in maniera decisiva al raggiungimento del risultato. Fra gli enti coinvolti vi sono l’INFN, la Scuola Normale Superiore di Pisa e anche le competenze altamente specializzate dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, che hanno fornito un contributo determinante per il miglioramento della precisione di misura attraverso lo sviluppo di una nuova tecnologia laser per la calibrazione dei rivelatori utilizzati nell’esperimento.
1 LENS Laboratorio Europeo di Spettroscopia Nonlineare (Firenze)
2 Università Campus Bio-medico di Roma
3 Università degli Studi di Firenze