Le novità sul muone aumentano la convinzione che il modello standard abbia delle crepe

In fisica le scoperte si fanno direttamente, puntando un telescopio al cielo, o individuandone – fra i detriti di violente collisioni fra particelle – una nuova, teorizzata più di cinquant’anni prima: il bosone di Higgs. Oppure indirettamente, quando ciò che si osserva non è quanto previsto. Come quando nel XIX secolo l’astronomo Urbain Le Verrier predisse l’esistenza di Nettuno, usando osservazioni astronomiche precedenti e calcoli matematici, eseguiti per spiegare le differenze tra l’orbita osservata di Urano e quella prevista dalle leggi di Keplero e Newton.

L’esperimento del FermiLab, dal nome un po’ barbaro di Muon g-2, ha scelto questa seconda strada.

7 aprile 2021. Grande eccitazione al FermiLab, vicino a Chicago (Stati Uniti). Coinvolgendo 200 ricercatori di sette Paesi, si è migliorato l’esperimento, si è fatta la risonanza magnetica nucleare a una particella elementare, il muone, per gli amici mu, effettuato nel 2006 al Brookhaven National Laboratory (BNL), a mille chilometri di distanza, vicino a New York.

“Potremmo essere sul punto di avere la prima evidenza che c’è una nuova forza o una nuova particella, qualcosa al di là di ciò che sappiamo” dichiara Lawrence Gibbons, della Cornell University, membro della collaborazione internazionale che pubblica i risultati ottenuti su Physical Review Letters.

Andiamo a spiegare. Mu è una particella elementare carica, scoperta 87 anni fa, nel 1936. Ha vita breve, solo 2,2 microsecondi ed è circa 207 volte più pesante dell’elettrone di cui è cugino, visto che hanno entrambi carica elettrica negativa. Inoltre, come gli elettroni, i muoni hanno un minuscolo magnete interno che, in presenza di un campo magnetico, precede o oscilla come l’asse di una trottola.

Il Modello Standard, teoria fisica che riassume tutte le attuali conoscenze nel campo delle particelle elementari e delle forze che ne regolano le interazioni fondamentali, prevede che per ogni particella il valore del momento magnetico sia proporzionale a un certo numero, detto “fattore giromagnetico g”, e che il suo valore sia leggermente diverso da 2, da qui il nome “g-2” o “anomalia giromagnetica” dato a questo tipo di misura.

Il ​​muone, pur essendo una particella elementare, quindi infrangibile, è una creatura buffa, avvolto com’è da una schiuma quantistica (se volete sapere cosa sia la schiuma quantistica, iniziate l’approfondimento con Wikipedia. In alternativa, formulate opportune domande a ChatGPT o simili), formata da uno sciame di particelle e antiparticelle virtuali. In altre parole, attorno ad ésso compaiono e scompaiono permanentemente fotoni, elettroni, bosoni, quark, antiquark, come fossero “compagni di ballo” che afferrano la “mano” magnetica del muone e cambiano il modo in cui interagisce con il campo magnetico. Il modello standard incorpora fra le “partner di ballo” tutte le particelle note e prevede il modo in cui cambiano il valore di g-2. Il calcolo esatto tiene conto di tutte le forze conosciute, elettromagnetiche (tra cariche elettriche), deboli (che spiegano la radioattività) e forti (legate alla coesione di protoni e neutroni).

L’esperimento Muon g-2 del FermiLab misura con altissima precisione la frequenza di precessione della danza dei muoni e ha evidenziato una differenza tra il valore misurato di “g-2” e quello previsto dal Modello Standard.

Nella sua danza il muone si comporta come prevede la teoria. Più esattamente, la reazione di questa particella all’applicazione di un campo magnetico risulta essere più alta che nei calcoli. Poco, circa lo 0,0002 per cento in più, ma la discrepanza tra il risultato sperimentale e il calcolo teorico potrebbe essere dovuta a particelle e interazioni sconosciute di cui il Modello Standard non tiene conto.

Qualcosa non torna. Il che entusiasma i fisici, “eccitati” dalla possibile esistenza di particelle non ancora scoperte in grado di aprire la finestra per esplorare una nuova fisica, ancora sconosciuta.

10 agosto 2023. Il progetto Muon g-2 annuncia il nuovo valore di g-2, basato su tre anni di dati sperimentali:

g-2 = 0.00233184110 +/- 0.00000000043 (incertezza statistica) +/- 0.00000000019 (incertezza sistematica)

Dato importante, sia perché è stato ridotto in modo significativo la componente di incertezza sistematica causata dalle imperfezioni dell’apparato sperimentale, sia perché ha sollevato molto gli animi dei ricercatori dato che il valore riscontrato nell’esperimento del 2021 è stato confermato e il divario con la teoria persiste.

Nel 2006, alla fine dell’ esperimento BNL, l’anomalia aveva una possibilità su 10.000 di essere dovuta al caso. Nel 2021, sommando le “vecchie” misure con le nuove, questa possibilità scende a una su 40.000. La misura 2023 di g-2 corrisponde a una precisione di 0,20 parti per milione. Molto, molto meglio, ma non basta.

Saggiare la “solidità” di un risultato equivale a chiedersi se lanciare più volte un dado e avere come risultato sempre il 6 sia semplice caso (fisici molto delusi), oppure l’evidenza di avere a che fare con un dado truccato (quindi scoperta e fisici molto felici). Per decidere sono necessari molti lanci. Se lo si fa un milione di volte e solo una volta non esce il sei, allora si può affermare con certezza statistica che il dado è truccato.

Stessa considerazione vale per affermare che “qualcosa di nuovo” sta turbando il momento magnetico del muone sotto esame. I lanci del dado sono i dati. L’obiettivo ormai è vicino. Sono ancora da analizzare i dati 2019 e 2020 e quelli che stanno raccoglie al J-PARC giapponese. Solo questione di tempo, poco tempo.

Comunque occorre prudenza: di annunci che poi si sono sgonfiati se ne sono sentiti tanti. Il bosone di Higgs è stato “scoperto” diverse volte prima della conferma nel 2012.

Comunque cresce la convinzione che il modello standard abbia delle crepe perché i recenti risultati sperimentali e teorici legati al muone e al suo g-2 sono inconciliabili. Gli specialisti sono pronti a disegnare idee di nuove forze, o nuove particelle, capaci di agitare l’ago della bussola muonica. Potrebbero tracciare la rotta per il futuro della ricerca fisica nei decenni a venire.

Se la natura avesse fino ad ora nascosto nuove particelle e nuove forze, sarebbe così divertente andarle a cercare. Il che, almeno per un fisico, è veramente eccitante…