L'esperimento muon g-2 apre una nuova era per la fisica?

Un nuovo esperimento ha rilanciato l'ipotesi che ci possano essere delle particelle nascoste non previste dal modello standard, cosa riserva il futuro?

L'esperimento muon g-2 apre una nuova era per la fisica?
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Oggi è un giorno straordinario, a lungo atteso non solo da noi, ma dall'intera comunità internazionale dei fisici. Queste sono le parole che Graziano Venanzoni, uno dei ricercatori a capo dell'esperimento Muon g-2 al Fermilab, un laboratorio dedicato allo studio di particelle elementari in America, ha dichiarato alla stampa Mercoledì 8 aprile durante l'annuncio di misurazioni a lungo attese, frutto di un esperimento che andava avanti da ormai 4 anni.
I risultati, pubblicati in Physical Review Letters, hanno fatto molto scalpore in tutto il mondo e hanno addirittura spinto molti commentatori ad annunciare l'imminente necessità di una nuova fisica, ma è davvero così?

Di che esperimento stiamo parlando?

L'esperimento muon g-2 (si legge "g meno due") è un esperimento che al Fermilab viene condotto solamente dal 2017, ma ha avuto luogo in molti altri laboratori negli anni passati. I primi esperimenti di questo tipo sono stati infatti realizzati al CERN, e dove se no, alla fine degli anni '50, sotto iniziativa del fisico Leon Lederman. Ma cosa vuole misurare questo esperimento? Molte particelle elementari sono elettricamente cariche, e di conseguenza esse sono anche soggette a fenomeni magnetici. La carica elettrica è misurata da un numero, positivo o negativo, mentre per determinare l'intensità del magnetismo associato ad una particella, o ad un corpo in generale, la grandezza che viene studiata è solitamente il momento magnetico. Ovviamente potremmo stare ore a definirlo precisamente e ad elencarne le proprietà, ma non è questo lo scopo di questo articolo.

Il momento magnetico, con le leggi della meccanica classica, verrebbe calcolato in maniera molto semplice: esso sarebbe il rapporto tra carica elettrica e massa, moltiplicato per lo spin della particella, diviso due. Ma, come dimostrato da molti noti esempi, la meccanica classica non si trasla in maniera immediata al mondo quantistico, e le formule vanno corrette. Per quanto riguarda il momento magnetico di una particella quindi, la formula precedente deve essere moltiplicata per un coefficiente chiamato fattore g.
Per molti anni si è pensato che questo coefficiente dovesse essere esattamente 2, ma, nel 1947, Polykarp Kusch e Henry Foley hanno misurato che il fattore g per l'elettrone era uguale a 2.00232, quindi la grandezza g-2 non è zero. Il coefficiente g-2, che misura quanto g è diverso da 2, può venire calcolato con estrema facilità come conseguenza del calcolo del momento magnetico di una particella, ed è proprio questo che i ricercatori al Fermilab hanno provato a misurare, prendendo come particella i muoni.

L'esperimento comincia sparando muoni ad alta velocità in una pista ad anello magnetizzata; tali particelle percorrono l'anello molte volte, e, a causa dell'intenso campo magnetico, l'asse di rotazione gradualmente si inclina. Proprio misurando tale variazione dell'asse, i ricercatori sono in grado di stimare il momento magnetico dei muoni, e quindi di calcolare g-2 con elevata precisione.
Ci si potrebbe chiedere il perché i ricercatori abbiano scelto di utilizzare i muoni, e non i più comuni elettroni, ma la spiegazione è molto semplice: gli elettroni sono 206 volte più leggeri dei muoni, quindi nel loro caso l'anomalia registrata da g-2 è principalmente causata dalla forza elettromagnetica e le misurazioni più precise che potremmo ottenere al giorno d'oggi concorderebbero completamente con quanto predetto dalla teoria. Per quanto riguarda il muone invece, il contributo della forza elettromagnetica è molto meno rilevante, ed entrano in gioco questioni più profonde.

L'effetto sulla fisica moderna

Abbiamo parlato sinora di g-2 e di cosa l'esperimento al Fermilab si proponesse di misurare, ma non abbiamo ancora parlato del perché. Qual è il motivo per cui siamo così interessati alla misurazione empirica di g-2? La ragione di tale ricerca sta nella spiegazione teorica di cosa contribuisca a g-2: infatti, il momento magnetico di una particella è il risultato dell'influenza di particelle virtuali, manifestazioni di energia che hanno alcune caratteristiche delle particelle a cui sono associate, che emergono dal vuoto e scompaiono istanti dopo.
I fisici sono in grado di calcolare g-2 in maniera del tutto teorica, prendendo il modello standard e calcolando l'influenza che la controparte virtuale di ogni particella conosciuta genera sulla particella osservata. Misurando g-2 empiricamente, i ricercatori possono dunque confrontare il valore predetto dalla teoria con quello risultante dall'esperimento: se essi differiscono, allora la spiegazione è che ci deve essere qualche particella sconosciuta, non prevista dal modello standard, il cui effetto non viene calcolato teoricamente.

Sebbene l'esperimento al Fermilab abbia confermato risultati ottenuti in un altro esperimento muon g-2 a Brookhaven, 20 anni fa, e la differenza con i risultati predetti dalla teoria sia cresciuta nella sua significanza statistica, lo scetticismo è la linea che prevale. La predizione teorica globalmente accettata del momento magnetico del muone è un numero che è stato pubblicato nel 2020 su un "consensus paper", ovvero un articolo che sintetizza i più recenti progressi in un campo.
Tuttavia, il 7 aprile 2021, un giorno prima della pubblicazione dei risultati dell'esperimento, è stato pubblicato su Nature un articolo che suggerisce che il momento magnetico del muone possa in realtà essere molto più vicino al risultato calcolato dall'esperimento muon g-2 di quanto lo fosse il valore precedentemente accettato.

I ricercatori al Fermilab stanno lavorando su dati più recenti e collezionandone di nuovi, aspettandosi che in futuro la precisione delle loro misurazioni possa essere ulteriormente migliorata. Contemporaneamente, ricercatori in tutto il mondo stanno cercando di replicare le tecniche usate nello studio di Nature affinché si possa stilare un nuovo valore di riferimento per il momento magnetico del muone in un nuovo consensus paper.
Ad oggi parlare di rivoluzione nelle leggi della fisica è eccessivamente azzardato, ma, se in futuro la differenza tra il valore teorico e sperimentale si confermasse rilevante, allora la possibilità di misteriose particelle ignorate dal modello standard diverrebbe concreta e potremmo assistere ad un momento epocale per la scienza.