Nel 2001 al Brookhaven National Laboratory di Upton, New York, una struttura utilizzata per la ricerca in fisica nucleare e delle alte energie, gli scienziati che sperimentavano con una particella subatomica chiamata muone hanno incontrato qualcosa di inaspettato.

Per spiegare le forze fisiche fondamentali all'opera nell'universo e per prevedere i risultati di esperimenti con particelle ad alta energia come quelli condotti a Brookhaven, Fermilab nell'Illinois, e al Large Hadron Collider del CERN di Ginevra, Svizzera, i fisici si affidano alla teoria vecchia di decenni chiamata Modello Standard, il che dovrebbe spiegare il comportamento preciso dei muoni quando vengono lanciati attraverso un intenso campo magnetico creato in un anello di immagazzinamento magnetico superconduttore. Quando il muone nell'esperimento di Brookhaven ha reagito in un modo diverso dalle loro previsioni, i ricercatori si sono resi conto di essere sull'orlo di una scoperta che potrebbe cambiare la comprensione della scienza su come funziona l'universo.

All'inizio di questo mese, dopo uno sforzo decennale che ha comportato la costruzione di sensori più potenti e il miglioramento della capacità dei ricercatori di elaborare 120 terabyte di dati (l'equivalente di 16 milioni di fotografie digitali ogni settimana), un team di scienziati del Fermilab ha annunciato i primi risultati di un esperimento chiamato Muon g-2 che suggerisce che la scoperta di Brookhaven non è stata un caso e che la scienza è sull'orlo di una scoperta senza precedenti.

Il professore di fisica dell'UVA Dinko Počanić è stato coinvolto nell'esperimento Muon g-2 per quasi due decenni, e UVA Today hanno parlato con lui per saperne di più su cosa significa.

D. Quali sono i risultati degli esperimenti Brookhaven e Fermilab Muon g-2, e perché sono importanti?

R. Allora, nell'esperimento di Brookhaven, hanno fatto diverse misurazioni con muoni positivi e negativi:un instabile, cugino più massiccio dell'elettrone, in circostanze diverse, e quando hanno fatto la media delle loro misurazioni, hanno quantificato un'anomalia magnetica caratteristica del muone in modo più preciso che mai. Secondo la meccanica quantistica relativistica, la forza del momento magnetico del muone (una proprietà che condivide con un ago della bussola o un magnete a barra) dovrebbe essere due in appropriate unità adimensionali, lo stesso di un elettrone. Il Modello Standard afferma, però, che non sono due, è un po' più grande, e quella differenza è l'anomalia magnetica. L'anomalia riflette l'accoppiamento del muone con praticamente tutte le altre particelle che esistono in natura. Com'è possibile?

La risposta è che lo spazio in sé non è vuoto; quello che pensiamo come un vuoto contiene la possibilità della creazione di particelle elementari, dato abbastanza energia. Infatti, queste potenziali particelle sono impazienti e sono virtualmente eccitate, scintille nello spazio per istanti inimmaginabilmente brevi nel tempo. E per quanto fugace, questa scintilla è "percepita" da un muone, e influenza sottilmente le proprietà del muone. Così, l'anomalia magnetica del muone fornisce una sonda sensibile del contenuto subatomico del vuoto.

Con enorme frustrazione di tutti i fisici praticanti della mia generazione e di quelli più giovani, il Modello Standard è stato esasperantemente impermeabile alle sfide. Sappiamo che ci sono cose che devono esistere al di fuori di esso perché non può descrivere tutto ciò che sappiamo dell'universo e della sua evoluzione. Per esempio, non spiega la prevalenza della materia sull'antimateria nell'universo, e non dice nulla sulla materia oscura o molte altre cose, quindi sappiamo che è incompleto. E abbiamo cercato molto duramente di capire cosa potrebbero essere queste cose, ma non abbiamo ancora trovato nulla di concreto.

Così, con questo esperimento, stiamo sfidando il Modello Standard con livelli di precisione crescenti. Se il Modello Standard è corretto, dovremmo osservare un effetto del tutto coerente con il modello perché include tutte le possibili particelle che si pensa siano presenti in natura, ma se vediamo un valore diverso per questa anomalia magnetica, significa che in realtà c'è qualcos'altro. Ed è quello che stiamo cercando:questo qualcos'altro.

Questo esperimento ci dice che siamo sull'orlo di una scoperta.

D. Che parte hai avuto nell'esperimento?

R. Sono diventato un membro di questa collaborazione quando avevamo appena iniziato a pianificare il seguito dell'esperimento Brookhaven intorno al 2005, solo un paio d'anni dopo la fine dell'esperimento di Brookhaven, e stavamo valutando la possibilità di effettuare misurazioni più precise a Brookhaven. Alla fine quell'idea fu abbandonata, come si è scoperto che avremmo potuto fare un lavoro molto migliore al Fermilab, che aveva raggi migliori, muoni più intensi e migliori condizioni per l'esperimento.

Così, abbiamo proposto che intorno al 2010, ed è stato approvato e finanziato da agenzie di finanziamento statunitensi e internazionali. Una parte importante è stata finanziata da una borsa della National Science Foundation Major Research Instrumentation che è stata assegnata a un consorzio di quattro università, e UVA era uno di questi. Stavamo sviluppando una parte della strumentazione per il rilevamento dei positroni che emergono nei decadimenti di muoni positivi. Abbiamo finito quel lavoro, e ha avuto successo, quindi il mio gruppo si è concentrato sulle misurazioni precise del campo magnetico nell'anello di immagazzinamento al Fermilab, una parte critica della quantificazione dell'anomalia magnetica del muone. Anche il mio collega di facoltà dell'UVA, Stefan Baessler, ha lavorato su questo problema, e diversi studenti e postdoc UVA sono stati attivi sul progetto nel corso degli anni.

D. Il Fermilab ha annunciato che questi sono solo i primi risultati dell'esperimento. Cosa deve ancora succedere prima di sapere cosa significa questa scoperta?

R. Dipende da come risultano i risultati della nostra analisi dei segmenti di corsa ancora non analizzati. L'analisi della prima esecuzione ha richiesto circa tre anni. La corsa è stata completata nel 2018, ma penso che ora che abbiamo risolto alcuni dei problemi nell'analisi, potrebbe andare un po' più veloce. Così, tra circa due anni non sarebbe irragionevole avere il prossimo risultato, che sarebbe un po' più preciso perché combina la seconda e la terza corsa. Poi ci sarà un'altra corsa, e probabilmente finiremo di raccogliere i dati tra altri due anni circa. La fine precisa delle misurazioni è ancora alquanto incerta, ma direi che tra circa cinque anni, forse prima, dovremmo avere un quadro molto chiaro.

D. Che tipo di impatto potrebbero avere questi esperimenti sulla nostra vita quotidiana?

R. Un modo è spingere all'estremo tecnologie specifiche per risolvere diversi aspetti della misurazione per ottenere il livello di precisione di cui abbiamo bisogno. L'impatto probabilmente arriverà in campi come la fisica, industria e medicina. Ci saranno ricadute tecniche, o almeno miglioramenti nelle tecniche, ma quali specifici ne verranno fuori, è difficile da prevedere. Generalmente, spingiamo le aziende a realizzare prodotti di cui abbiamo bisogno e che altrimenti non farebbero, e quindi si apre loro un nuovo campo in termini di applicazioni per quei prodotti, ed è quello che succede spesso. Il World Wide Web è stato inventato, Per esempio, perché i ricercatori come noi avevano bisogno di poter scambiare informazioni in modo efficiente su grandi distanze, Intorno al mondo, veramente, ed è così che abbiamo, bene, browser web, Ingrandisci, Amazon e tutti questi tipi di cose oggi.

L'altro modo in cui traiamo beneficio è istruire i giovani scienziati, alcuni dei quali continueranno nelle carriere scientifiche e accademiche come me, ma altri andranno in diversi campi di attività nella società. Porteranno con sé una competenza in tecniche di misurazione e analisi di altissimo livello che normalmente non si trovano in molti campi.

Poi, finalmente, un altro risultato è il miglioramento intellettuale. Un risultato di questo lavoro sarà quello di aiutarci a comprendere meglio l'universo in cui viviamo.

D. Potremmo vedere altre scoperte come questa nel prossimo futuro?

R. Sì, c'è un'intera classe di esperimenti oltre a questo che esamina test molto precisi del Modello Standard in diversi modi. Mi viene sempre in mente il vecchio adagio che se perdi le chiavi per strada a tarda notte, prima li cercherai sotto il lampione, ed è quello che stiamo facendo. Quindi ovunque c'è un lampione, erano alla ricerca. Questo è uno di quei posti, e ce ne sono molti altri, bene, direi decine di altri, se includi anche le ricerche in corso per le particelle subatomiche come gli assioni, candidati per la materia oscura, processi esotici come il doppio decadimento beta, e quel genere di cose. Uno di questi giorni, si troveranno cose nuove.

Sappiamo che il Modello Standard è incompleto. non è sbagliato, per quanto va, ma ci sono cose al di fuori di esso che non incorporano, e li troveremo.