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L'anomalia del muone: l'esperimento che suggerisce l'esistenza di nuove forze della natura

Procede a piccoli passi la conoscenza di come funziona la materia e gli ultimi risultati, comunicati oggi dal Fermilab, il principale laboratorio statunitense che interroga le particelle elementari, sembrano indicare solo una direzione: quella di una nuova fisica. Necessaria a interpretare le evidenze ottenute dall’esperimento Muon g-2, i cui risultati non sono previsti dal Modello Standard, finora la teoria fisica finora considerata la migliore spiegazione di ciò che avviene nell’infinitamente piccolo. Perciò era tantissima la fibrillazione della comunità scientifica per la divulgazione dei calcoli avvenuta oggi al Fermi national accelerator laboratory (FermiLab) di Batavia, vicino a Chicago. Dietro a questa rivelazione potrebbero nascondersi nuove particelle o nuove forze, in grado di cambiare o completare la comprensione della natura. Tra questi, anche un secondo “Bosone di Higgs” che tolga il velo sulla materia oscura.

L’anomalia del muone

Piccoli passi, si diceva, perché questo è un grosso punto interrogativo appeso sulla testa degli scienziati da almeno 20 anni. Era il 2001, infatti, quando al Brookhaven National Laboratory, vicino a New York, si concluse il primo esperimento studiato per calcolare il cosiddetto “momento magnetico anomalo del muone”, condotto a partire dagli anni ‘90. Da quello si rilevarono le prime discrepanze, che però attendevano nuove e più precise misurazioni. Si arriva così al FermiLab di Chicago, oggi. Il magnete usato per l’esperimento Muon g-2 (15 metri di diametro) è stato trasportato fino in Illinois per sfruttare la potenza dell’acceleratore di particelle del FermiLab. A quanto pare i risultati, pubblicati in quattro articoli sulla rivista Physical Review Letters non hanno deluso le aspettative.

Come funziona il Muon g-2

Semplificando succede questo: l’acceleratore di particelle del FermiLab produce un fascio di protoni che viene diretto verso un bersaglio. Le collisioni (parliamo di migliaia di miliardi di particelle prodotte ogni secondo) creano dai protoni altre particelle: neutrini (che non interagiscono quasi per nulla con la materia) e pioni. Questi ultimi decadono molto velocemente in muoni. Il fascio di muoni viene quindi diretto verso il magnete dell’esperimento Muon g-2. Al suo interno, trovano un campo magnetico ben definito e, in base a come si comportano, gli scienziati inferiscono il loro momento magnetico.

Vent’anni fa, le prime sorprese. I muoni (particelle con una massa pari a 200 volte quella di un elettrone) hanno all’interno quello che possiamo immaginare come un piccolo magnete, in virtù di questo, possiedono un campo magnetico simile a quello dell’ago di una bussola, e un “momento magnetico” per via della loro rotazione. Immersi un altro campo magnetico (quello dell’esperimento), la loro rotazione genera una “precessione”, che è un movimento simile a quello che osserviamo nel “polo nord e polo sud” di una trottola (oppure della Terra, il che dà origine, appunto, alla precessione degli equinozi). L’esperimento, spiegano dall’Infn in una nota, misura con altissima precisione la frequenza di questo moto di precessione dei muoni. È qui che arriva il contributo italiano.

Si tratta di misure molto sofisticate perché l’eroe di questa storia, il muone, muore prestissimo: un paio di milionesimi di secondo dopo essersi formato. Ma lascia dopo di sé qualcos’altro: neutrini (e abbiamo visto che sono poco utili) ed elettroni. Ad attenderli ci sono dei calorimetri che calcolano energia e tempo di arrivo degli elettroni di decadimento e da questi dati si estrae la frequenza di precessione grazie a una tecnologia realizzata in Italia: un sistema di calibrazione laser, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ottica del Cnr, e finanziato dall’Infn. “La misura di precisione richiede una sofisticata, continua calibrazione dei calorimetri, ovvero l’iniezione di brevi impulsi laser che ne garantiscano la stabilità della risposta, fino a 1 parte su 10.000”, spiega Michele Iacovacci, ricercatore della collaborazione Muon g-2 e della sezione Infn di Napoli.

Una grande (quasi) scoperta

I nuovi calcoli mostrano un effettiva discrepanza tra i valori attesi (quelli predetti dal Modello Standard) e quelli effettivamente misurati. E confermano i risultati dell’esperimento condotto a New York, 20 anni fa, con precisione maggiore. La prima domanda da porsi è: possiamo parlare di nuova scoperta? Gli scienziati hanno un numero anche per questo: σ (sigma). Un valore di σ=5 è indice di sicurezza che c’è qualcosa di nuovo. Combinando i risultati dei due esperimenti, si arriva a 4.2.

Siamo quasi alla frontiera: “Quello che stiamo osservando indica qualcosa di non compreso, nuove forze e nuove particelle che non conosciamo e cominciamo a scoprire ora – spiega Alberto Lusiani, fisico teorico ricercatore Scuola Normale Superiore e dell’Infn di Pisa, che partecipa alla collaborazione Muon g-2 – σ 4.2 è molto alto, difficile che si tratti di un errore”. L’esperimento era così delicato che i risultati sono stati criptati anche agli stessi ricercatori, un processo simile alla sperimentazione “doppio cieco” sui vaccini, per evitare qualsiasi condizionamento, anche involontario. E svelati a tutto il team (200 fisici in tutto il mondo, con il contributo principale da Usa, Italia e Regno Unito) in un meeting online. La decrittazione è avvenuta proprio sul pc di Lusiani, che ha condiviso lo schermo con tutti gli altri.

E ora che succede? Bisognerà ripetere gli esperimenti fino a che non si arriverà a σ=5. E cominciare a pensare a nuove spiegazioni. Le ipotesi che si affacciano sono quelle che prevedono particelle o forme di energia sconosciute. La cosa entusiasmante, per i fisici, è che nessuna di queste è prevista dal Modello Standard. Parliamo di una nuova fisica, e chissà che non sia quella che, un giorno, potrà dare corpo al sacro graal, la Teoria del tutto: “Ci sono sostanzialmente due possibilità – riprende Lusiani – quella di particelle molto massive, che l’Lhc del Cern non ha ancora scoperto perché hanno effetti molto piccoli e quindi difficili da osservare. Oppure una particella con massa molto piccola e che, come i neutrini, interagisce poco con la materia e potrebbe essere la particella della materia oscura: il dark photon, il fotone oscuro, che però è stata cercata in altri esperimenti e non se ne è trovata traccia. L’ipotesi che esista un secondo bosone di Higgs è anche una possibilità. Si cercano continuamente ulteriori bosoni di Higgs, che potrebbe anche spiegare la materia oscura. E’ una possibilità alla pari con diverse altre”.

Gli esperimenti, intanto, vanno avanti: “Abbiamo ricevuto un finanziamento per il programma di ricerca che ci porterà anche a 8 sigma, per proseguire le misure e migliorare la precisione fino a superare abbondantemente i 5 sigma – continua il fisico – siamo andati avanti a raccogliere altri dati, ci manca solo una parte del lavoro che potrebbe concludersi tra un anno e mezzo”.


Fonte: http://www.repubblica.it/rss/cronaca/rss2.0.xml


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