Il muone, particella misurata dall’acceleratore di particelle al FermiLab di Chicago, ha risposto in modo inatteso. Quali le possibili cause, e soprattutto conseguenze, dell’anomalia?
Scopriamo qualcosa in più sul muone, sull’esperimento di Chicago e sugli scenari futuri.
Il muone e l’acceleratore del Fermilab
La data è quella del 7 aprile scorso. Siamo al FermiLab (Fermi national accelerator) di Chicago, il principale laboratorio statunitense che interroga le particelle elementari. Arrivano le evidenze dell’esperimento Muon g-2, e i risultati, decisamente inattesi, mettono in fibrillazione la comunità scientifica. Cosa è accaduto quel giorno a Chicago?
L’esperimento Muon g-2
Per l’esperimento è stato trasportato nell’Illinois un magnete di 15 metri di diametro, utile per sfruttare al meglio la potenza dell’acceleratore di particelle del FermiLab.
È dagli anni Novanta del secolo scorso che si fanno esperimenti per calcolare il cosiddetto momento magnetico anomalo del muone (su cui torneremo). Le prime discrepanze avevano però bisogno di essere confermate da nuove e più meticolose misurazioni.
Esattamente quelle che può fornire l’acceleratore di particelle del FermiLab, che produce un fascio di protoni diretto verso un bersaglio.
Il momento magnetico dei muoni
Proseguendo (e semplificando) possiamo dire che le collisioni causate dal fascio “sparato” producono due tipi di particelle: i neutrini (che hanno un’interazione minima con la materia) e i pioni. Che in un tempo brevissimo decadono trasformandosi in muoni.
Il fascio dei muoni così prodotti viene diretto verso il magnete. A quel punto, osservando il loro comportamento all’interno del campo magnetico, gli scienziati sono in grado di dedurre il momento magnetico dei muoni.
Che cos’è il muone
Prima di scoprire quali sono state le anomalie dell’esperimento Muon g-2, ricordiamo che i muoni sono particelle elementari (cioè non divisibili in particelle più semplici) con carica elettrica negativa e massa pari a oltre duecento volte quella di un elettrone.
Scoperti nel 1936, potremmo dire che si sono fatti conoscere meglio solo negli ultimi decenni. Quando gli scienziati hanno verificato che i muoni contengono una sorta di minuscolo magnete, di conseguenza hanno un campo magnetico e un momento magnetico (causato dalla loro rotazione).
Ruotando in un campo magnetico, come quello dell’esperimento Muon g-2, i muoni generano una precessione simile a quella della Terra, cioè una modifica dell’asse di rotazione.
Le anomalie del muone
Gli strumenti di misurazione del momento magnetico della particella muone sono sofisticatissimi, perché questa particella decade in pochi milionesimi di secondo in neutrini ed elettroni.
Energia e tempo di arrivo degli elettroni sono calcolati da speciali calorimetri: da ciò si può estrarre la frequenza di precessione dei muoni.
Ed ecco l’anomalia: i risultati ottenuti si discostano da quelli attesi secondo il Modello Standard. Ossia il modello utilizzato per descrivere le particelle elementari e tre delle quattro forze fondamentali osservate in natura: l’interazione elettromagnetica e quella debole (unificate nella cosiddetta interazione elettrodebole) e quella forte.
La differenza tra l’esito e le attese fa supporre l’esistenza di una qualche particella sconosciuta, non prevista appunto dal Modello Standard, il cui effetto non è ancora possibile calcolare teoricamente.
L’esperimento del FermiLab: le suggestioni
Se confermata, l’anomalia potrebbe aprire a una nuova fisica non contemplata dal Modello Standard delle particelle elementari. L’esperimento ha subito esaltato la comunità scientifica: basti pensare che a pochi giorni dall’annuncio dei risultati inattesi, il portale arXiv (una specie di mega archivio che ospita gli articoli scientifici in bozze prima della loro pubblicazione su rivista) conteneva più di trenta articoli teorici che avrebbero cercato di illustrare il risultato di Chicago.
Di certo, se in futuro la differenza tra il valore teorico e sperimentale dei muoni si confermasse rilevante, allora la possibile esistenza di misteriose particelle finora ignorate sarebbe molto più concreta. E ci troveremmo davvero a un punto di svolta per la scienza.
La cordata degli scettici
L’esperimento Muon g-2 non ha esattamente fatto saltare sulla sedia l’intera comunità scientifica. Molti sono gli esperti che predicano cautela.
Ecco, per esempio, cos’ha dichiarato Avi Loeb, l’ex presidente del dipartimento di astronomia dell’Università di Harvard: “La misurazione è interessante, ma la sua significatività statistica non ha raggiunto il gold standard nei dati di fisica delle particelle di 5.
Inoltre, non è chiaro se l’anomalia rappresenti una nuova fisica o un errore di calcolo teorico; circa una mezza dozzina di gruppi teorici calcolano il valore atteso e le incertezze teoriche oscurano l’importanza della contraddizione.
Nel corso degli anni, molte anomalie sono solo sembrate scomparire, lasciando invariato il modello standard della fisica delle particelle”.
Occorreranno dunque altri esperimenti prima di sapere se potremmo eleggere o meno il muone come alfiere di una nuova fisica.
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