È di alcune settimane fa la notizia che particelle elementari note come muoni non sono esattamente come previsto data la discrepanza del momento magnetico misurato sperimentalmente con quello previsto dal modello standard. Se tale discrepanza venisse confermata da esperimenti indipendenti, sarebbe la prima volta in cinquant'anni, cioè dalla nascita del modello a metà anni 70, in cui si rileva una falla predittiva.
 |
| Lo strumento (Muon g-2 ring) usato nell'esperimento (credit: Fermilab) |
Un risultato più che sufficiente per mandare in fibrillazione i fisici teorici sia perché inserisce una crepa in un modello capace di unire le 4 forze fondamentali (gravità esclusa) che per le prospettive legate alla necessità di trovare il tassello mancante. Il tutto amplificato dalla sostanziale assenza di scoperte (attenzione scoperte, NON conferme tipo il bosone di Higgs o le onde gravitazionali) negli ultimi decenni.
A quanto ammonta la discrepanza?
Il valore misurato è stato 0,00116592040 mentre quello previsto era 0,00116591810. Una differenza che per noi comuni mortali (ovvero coinvolti in sperimentazioni con sistemi biologici o più in generale sistemi macroscopici) appare risibile, ma che nella fisica delle particelle ha lo stesso impatto della sirena di una nave quando avvista un iceberg inatteso. Delle due l'una, o è un problema di misurazione o di metodo, oppure della teoria sottostante. Poiché non sono state rilevate anomalie procedurali, anzi, come vedremo poi, questo esperimento nasce per confermare un dato anomalo ottenuto 20 anni fa, diventa palese la ragione dell'eccitazione montante tra i fisici.
Ok, bene ma cosa ci sarà mai in questa misura di strano?
I muoni possono essere considerati la versione pesante di un elettrone (massa 200 volte maggiore).
Volendo fare una catalogazione appena meno superficiale sono particelle elementari appartentente alla famiglia dei fermioni (l'altra famiglia è quella dei bosoni) e al gruppo dei leptoni carichi a cui appartengono anche elettroni e tauoni
 |
| image credit: CC BY 3.0 (wikipedia9 |
I muoni, a differenza degli elettroni, a causa della loro massa sono fortemente instabili e decadono a formare altre particelle.
Per quanto instabili sono ovunque intorno a noi. Si formano in genere quando una particella ad alta energia come un protone colpisce l'atmosfera terrestre generando altre particelle, tra cui i muoni.
Se hanno una breve emivita come fanno allora a raggiungere la superficie terrestre dove sono rilevati da appositi sensori? Il tutto nasce dalla loro velocità relativistica il cui primo effetto è che il tempo "visto da noi" e quello "visto dal muone" sono molto diversi, quindi il "loro" tempo di decadimento è sufficientemente lungo per farli arrivare sulla superficie.
Non si tratta beninteso di particelle che "nascono e muoiono" nella testa e nelle formule dei fisici teorici; un esempio di applicazione pratica la abbiamo con lo studio dell'interno delle piramidi dopo avere posizionato un rilevatore ad una estremità per catturare le particelle cha avevano attraversato la struttura (vedi muons reveal hidden void in egyptian pyramid).
Per studiarli non è necessario andare a caccia di quelli formatisi nell'atmosfera ma possono essere "comodamente" creati per fini sperimentali usando gli acceleratori di particelle come quello del CERN o, nel caso di questo esperimento, quello del Fermilab vicino a Chicago.
Data la presenza di carica e di movimento i muoni si comportano come piccoli magneti le cui caratteristiche (ad esempio la loro risposta all'interno di un campo magnetico esterno) sono calcolabili.
Facendo transitare i muoni attraverso un forte campo magnetico, questi mostrano oscillazioni attorno al loro asse di rotazione, quantificate da un valore noto come g-factor le cui caratteristiche sono funzione sia di proprietà intrinseche che del campo magnetico esterno
Altro modo per ripetere quanto scritto è che la forza del magnete interno determina la velocità di precessione del muone quando si trova un campo magnetico esterno; il momento magnetico e il momento angolare derivanti sono descritti da un numero che i fisici chiamano g-factor.
In queste condizioni i muoni si trovano ad interagire con la cosiddetta schiuma quantistica di particelle subatomiche che appaiono e scompaiono dall'esistenza (in senso letterale) in frazioni di un istante
Per quanto questo possa apparire strano è un fenomeno noto da decenni ed è, tra le altre cose, alla base dell'ipotesi della radiazione di Hawking quando questi eventi avvengono a ridosso dell'orizzonte degli eventi di un buco nero.
Le interazioni con queste particelle effimere modificano il valore del g-factor, causando la precessione del moto dei muoni. Il modello standard prevede nel dettaglio questo "momento magnetico anomalo".
Da qui il fatto che se il valore ottenuto sperimentalmente è diverso da quello teorico, questo implica l'esistenza all'interno della schiuma quantistica di forze o particelle non contabilizzate dal modello standard (particelle ipotetiche tipo leptoquark o Z' bosone).
Esattamente quanto verificatosi.
Se a questo aggiungiamo che l'esperimento era stato pensato per validare (o confutare) anomalie nelle misurazioni ottenute nel 2001 presso il Brookhaven National Laboratory, ne deriva che diventa sempre più difficile pensare ad un errore procedurale in questo e nell'esperimento di 20 anni fa. Ci deve essere un tassello mancante nell'impianto predittivo.
Mettendo insieme i risultati ora ottenuti al Fermilab con quelli al Brookhaven la significatività dei risultati raggiunge un valore pari a 4,2 sigma, molto alta ma non ancora a livello del 5 sigma che per gli scienziati sperimentali implica che il risultato assurge al grado "scoperta" (confusi? Leggetevi l'articolo Le Scienze "Il 5 sigma questo sconosciuto"): un valore anche "solo" pari a 4,2 sigma significa che la probabilità che i risultati siano frutto di fluttuazione statistica è pari a 1 su 40000. Quindi decisamente convincenti.
I valori teorici per il muone erano:
fattore g = 2,00233183620 ; momento magnetico anomalo = 0,00116591810
La media ottenuta dagli esperimenti del 2001 e del 2021 indica:
fattore g = 2,00233184122 ; momento magnetico anomalo = 0,00116592061
 |
| Poco probabile che la differenza tra risultati sperimentali e predizione sia frutto del caso (credit:B. Abi et al, /PRL 2021 via sciencenews ) |
L'impatto prodotto da questi dati sulla comunità dei fisici è, potenzialmente, maggiore dell'effetto, pur eclatante, della identificazione del bosone di Higgs.
Tale particelle era infatti prevista dal modello e l'esperimento tanto a lungo atteso serviva per confermare sperimentalmente un modello che funzionava su tutto il resto.
Il risultato attuale rivela invece un mancanza inattesa nella teoria. In ambito scientifico le anomalie vanno spiegate e se il modello in essere non può essere spiegato allora bisogna cambiare modello.
Queste dunque le ragioni delle possibili ripercussioni sulla teoria nota come supersimmetria, anche nota come SUSY.
Video riassuntivo della scoperta edito dal Fermilab
Fun Fact. Questa potrebbe essere la rivincita del Fermilab nella famosa sfida (fittizia) tra loro e il Caltech mostrata nell'episodio "The Confirmation Polarization" in "The Big Bang Theory", quando Sheldon Cooper si aggiudica la paternità della teoria della "superasimmetry" nella diatriba con i 2 ricercatori del Fermilab. (Nota a margine. La superasimmetria non esiste ma fu proposta dal consulente scientifico della serie come l'unica vera scoperta in grado di fare guadagnare un Nobel in tempi brevi in quanto antitetica alle attuali teorie fondate sulla simmetria)
Fonti
- Measurement of the Positive Muon Anomalous Magnetic Moment to 0.46 ppm
B. Abi et al, Phys. Rev. Lett. 126, 141801 – 7 April 2021
- First results from Fermilab’s Muon g-2 experiment strengthen evidence of new physics
- What’s next for physics’ standard model? Muon results throw theories into confusion
- Is the standard model broken? Physicists cheer major muon result
- The Groundbreaking New Physics Experiment
Nessun commento:
Posta un commento