L’articolo seguente è stato scritto da Elia Bottalico, Matteo Sorbara, Paolo Girotti (in foto, in ordine da sinistra), tre giovani dottorandi italiani che lavorano per l’esperimento Muon g-2 del Fermilab. In testa all’articolo l’intervista dettagliata condotto da Federica Troni, studentessa magistrale di fisica teorica delle particelle all’Università Sapienza di Roma. 

L’anomalia magnetica del muone è appena stata misurata al Fermilab (FNAL) negli USA con la precisione incredibile di 460 parti per miliardo, ma il suo valore non è in accordo con la previsione della migliore teoria fisica di cui disponiamo, il Modello Standard delle particelle elementari. Il valore misurato dall’esperimento Muon g-2 è:

aμ = 0.00116592040 ± 0.00000000054

La piccolissima incertezza sulla misura è equivalente a misurare la lunghezza di un campo da calcio con lo scarto di un capello sottile. Non è la prima volta che ci sia un disaccordo, infatti questo nuovo risultato annunciato al mondo il 7 Aprile scorso conferma quanto trovato dall’esperimento predecessore al Brookhaven National Laboratory (BNL) nel 2006. Ma il nuovo esperimento a Fermilab non si ferma qui: l’obiettivo è di triplicare ulteriormente la precisione nei prossimi anni riducendo l’incertezza di misura a 140 parti per miliardo.

Il muone è una particella subatomica elementare, identica all’elettrone, ma circa 200 volte più pesante. Questa massa lo rende instabile, infatti decade in appena 2 milionesimi di secondo in un elettrone e una coppia di neutrini. L’esperimento ha misurato il comportamento delle proprietà magnetiche di un fascio di muoni in un grande anello magnetico di 15 metri di diametro. Ma vediamo cosa significa questo importante risultato, come è stato ottenuto, e perché l’intera comunità scientifica attendeva questo momento da oltre 15 anni.

L’anomalia magnetica: tutte le particelle influenzano il magnetismo del muone.

Il momento magnetico di una particella fondamentale è una proprietà che fa interagire lo spin della stessa con un campo magnetico. Il momento magnetico del muone fa sì che, in presenza di un magnete, il suo spin preceda attorno alla direzione del campo magnetico, nello stesso modo in cui una trottola fa un movimento circolare quando non è perfettamente verticale.

Agli albori della fisica quantistica, nel 1928 il fisico teorico Paul A. M. Dirac predisse che il fattore di proporzionalità che lega lo spin ed il momento magnetico, il cosiddetto fattore giromagnetico (g), fosse esattamente 2. Sappiamo ora che in realtà questo valore è un po’ più alto, circa 2.00233, a causa delle interazioni con le particelle virtuali. Vediamo cosa vuol dire.

L’interazione tra il muone e il campo magnetico, ci dice la fisica quantistica, avviene mediante lo scambio continuo di particelle di luce (fotoni). A volte, però, altre particelle possono partecipare all’interazione, creandosi e distruggendosi durante l’istante dell’interazione stessa: per questo motivo vengono dette virtuali. Quali particelle? Tutte! Fotoni, coppie elettrone-positrone, quark, neutrini, bosoni, tra cui anche il bosone di Higgs recentemente scoperto, sempre secondo le regole della fisica quantistica. Tutte queste interazioni con particelle “intruse” contribuiscono a spostare leggermente il valore di g lontano da 2, determinando quella che i fisici chiamano anomalia magnetica.

E qui arriva il bello: poiché tutte le particelle che possono esistere e interagire in qualche modo con il muone spostano il valore di g, allora una misura accurata di g ci dice se le abbiamo prese in considerazione tutte! Se troviamo quindi un valore diverso da quanto atteso, significa che la teoria del Modello Standard, l’attuale teoria che spiega il comportamento di tutte le particelle fondamentali, non è completa e che quindi potrebbero esistere particelle che ancora non conosciamo!

L’esperimento Muon g-2 di Fermilab

Misurare il valore di g con alta precisione è complicato, ed è proprio quello che i fisici al Fermilab hanno appena fatto. L’esperimento consiste nella generazione di un fascio accelerato di anti-muoni (la controparte di antimateria dei muoni), il quale viene iniettato dentro un grande magnete superconduttore a forma di ciambella di 15 metri di diametro. Gli anti-muoni effettuano migliaia di rivoluzioni in poco meno di un millisecondo, fino a che non decadono tutti in positroni (la controparte di antimateria degli elettroni). I muoni hanno una vita media di circa 2 microsecondi, ma riescono a sopravvivere nel magnete per un tempo 30 volte superiore grazie alla dilatazione del tempo prevista dalla relatività di Einstein, poiché la loro velocità è prossima a quella della luce. Questo permette di farli vivere per un tempo sufficiente perché le loro proprietà magnetiche possano essere misurate con precisione.

Un sistema di 24 rivelatori detti calorimetri, posizionati a distanze uguali lungo la circonferenza interna del magnete, permette l’osservazione dei positroni emessi nel decadimento. Questi, colpendo i calorimetri, producono uno sciame di particelle, ognuna delle quali emette luce per effetto Čerenkov. Ogni calorimetro è equipaggiato con 54 sensori capaci di tradurre questa luce in un segnale che viene registrato. E’ così che risulta possibile misurare la frequenza di precessione degli anti-muoni, in particolare la loro parte corrispondente all’anomalia magnetica, ovvero il loro g-2.

Un sistema laser all’avanguardia per Muon g-2

La collaborazione Muon g-2 conta più di 200 ricercatori, di cui 32 italiani finanziati dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN). Il principale contributo del gruppo italiano, oltre alla partecipazione all’analisi dei dati, consiste in un sofisticato sistema di calibrazione basato su impulsi laser, realizzato in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ottica (INO-CNR).

Grazie a questo sistema, al momento tra i più accurati nell’ambito della ricerca in fisica delle particelle, i 1296 sensori dei 24 calorimetri sono accuratamente calibrati in modo da essere stabili sia nei tempi brevissimi delle singole rivelazioni (nanosecondi), sia nel tempo in cui gli anti-muoni circolano nel magnete (millisecondi), sia nel corso dell’intera presa dati (mesi).

Nuove particelle?

Arriviamo quindi al risultato appena annunciato dall’esperimento: l’anomalia magnetica del muone è diversa da quella prevista dalla teoria. E non solo: il risultato sperimentale è coerente con quanto misurato dall’esperimento a BNL nel 2006. Combinando i due risultati, il valore sperimentale si discosta dal Modello Standard di 4.2 sigma: non abbastanza per dichiarare una scoperta senza alcun’ombra di dubbio, ma sufficiente per concentrare i futuri sforzi nel capire cosa manchi alla teoria.

Ci sono infatti diversi aspetti dell’universo che la fisica delle particelle non riesce ancora a spiegare, come la materia oscura, l’asimmetria tra materia e antimateria, la massa dei neutrini, la conciliazione tra la fisica quantistica e la forza di gravità. Questo risultato potrà aiutare a far luce su uno di questi aspetti.
Rimanete sintonizzati, la fisica ha ancora tante sorprese per noi!

La videointervista completa ad Elia Bottalico, Matteo Sorbara, Paolo Girotti si può vedere sul canale YouTube di Astrospace e in testa a questo articolo.