Gli scienziati dei laboratori nazionali del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) stanno collaborando per testare una proprietà magnetica del muone. Il loro esperimento potrebbe indicare l'esistenza della fisica oltre la nostra attuale comprensione, comprese le particelle non scoperte.

L'esperimento segue quello iniziato nel 1999 al Brookhaven National Laboratory del DOE in cui gli scienziati hanno misurato la precessione di spin del muone, cioè, la velocità con cui la sua rotazione cambia direzione, per essere diversa dalle previsioni teoriche. Scienziati dell'Argonne National Laboratory e del Fermi National Accelerator Laboratory, insieme a collaboratori di oltre 25 altre istituzioni, stanno ricreando l'esperimento con una precisione molto più elevata per confermare o smentire i primi risultati precedenti.

Il muone è come il (molto) fratello maggiore dell'elettrone; hanno la stessa carica, ma il muone è oltre 200 volte più massiccio. I due condividono anche lo stesso giro, una proprietà quantomeccanica che determina il comportamento di una particella in presenza di un campo magnetico.

Le particelle con spin agiscono come minuscoli magneti, e quando posto in un campo magnetico, i loro giri cambiano direzione con un movimento circolare, proprio come un giroscopio rotante. La velocità della precessione di spin di una particella è determinata da una quantità nota come fattore g, che dipende dallo spin della particella e dall'intensità del campo magnetico in cui si muove.

Nelle moderne teorie della meccanica quantistica, il vuoto non è vuoto. È pieno di bolle di cosiddette particelle virtuali, apparire e scomparire molto rapidamente. Interazioni tra queste particelle virtuali e una particella reale, come il muone, può cambiare il modo in cui la particella reale interagisce con il campo magnetico, influenzando il suo fattore g. I fisici teorici hanno calcolato, sulla base della nostra attuale comprensione della struttura fondamentale della natura, tutti i modi in cui ogni particella nota influenza il fattore g del muone, ma le misurazioni prese dagli scienziati di Brookhaven differivano da quelle che si aspettavano di poche parti per milione. Questa differenza, se persiste nel nuovo esperimento, indicherebbe una fisica completamente nuova, una scoperta entusiasmante per i fisici delle particelle.

"Se esiste effettivamente una discrepanza tra i valori previsti e quelli misurati, è un'ulteriore prova che il Modello Standard, la nostra attuale comprensione dei contenuti dell'universo, è incompleto, " ha detto il fisico di Argonne Peter Winter. "L'effetto inaspettato potrebbe essere dovuto a una particella sconosciuta".

Nel nuovo esperimento, con sede al Fermilab, un raggio viaggerà in circolo attraverso un grande, anello cavo dovuto alla presenza di un forte campo magnetico. Lo stesso campo magnetico porterà anche alla precessione degli spin del muone mentre girano intorno all'anello. Gli scienziati possono calcolare il fattore g rilevando la precessione di spin dei muoni e conoscendo l'intensità del campo magnetico nell'anello.

Per ottenere la precisione desiderata, sia la frequenza di precessione di spin che l'intensità del campo magnetico devono essere misurate con incertezze inferiori a 70 parti per miliardo. Il gruppo di ricerca di Argonne si è assunto la responsabilità di misurare il campo magnetico con una precisione così elevata. "Il gioco del nostro esperimento è controllare qualsiasi incertezza sistematica che potrebbe distorcere le nostre misurazioni precise, " disse Inverno.

Questo livello di precisione richiede dispositivi di ispezione molto sensibili che gli scienziati hanno calibrato utilizzando campi altamente stabili e isolati prodotti da macchine di imaging a risonanza magnetica riciclate ad Argonne.

Una volta calibrate le sonde, gli scienziati ne hanno collocati 17 su un carrello circolare che si muove sull'anello del Fermilab. Il carrello misura il campo intorno alle 10, 000 punti, creando una mappa dell'intensità del campo ovunque nel ring. Il carrello poggia su due binari che corrono lungo i lati del tubo, e gli scienziati spostano il carrello attorno all'anello usando due cavi collegati a bobine motorizzate.

"Questo carrello deve muoversi nel vuoto, " ha detto Ran Hong, un incaricato postdottorato Argonne sullo studio, "quindi sia controllare il suo movimento che ricevere i dati dalle sonde è molto impegnativo".

Per disturbare il meno possibile il campo, un solo cavo di segnale isolato collega il carrello al mondo esterno. Questo cavo invia informazioni al carrello per guidarlo intorno al circuito, e invia i dati dalle sonde alla sala di controllo.

Il vecchio sistema utilizzato a Brookhaven per l'esperimento di quel laboratorio ha inviato le informazioni utilizzando un segnale analogico, ma gli scienziati e gli ingegneri di Argonne hanno digitalizzato il segnale per aumentare la quantità di dati ottenuti. "L'accesso a più dati grezzi consente una migliore analisi, e ha portato a un aumento di 10 volte della precisione, " disse Inverno.

A causa del più ampio set di dati digitali, il cavo può inviare informazioni solo in una direzione alla volta. "Dobbiamo invertire la rotta tra l'invio delle istruzioni del carrello e la ricezione dei dati, " disse Hong. "Circa ogni 20 millisecondi, la direzione cambia".

Gli scienziati hanno allestito l'esperimento Muon g-2 per sei anni. Quest'anno, cominceranno a prendere dati ufficiali. L'esperimento durerà per mesi, misurando la precessione di spin di circa un trilione di muoni. Ogni due o tre giorni, l'esperimento si fermerà per consentire al carrello di misurare il campo, e sonde più piccole all'esterno della camera a vuoto stimeranno il campo in ogni momento durante l'esecuzione dell'esperimento.

"A differenza degli esperimenti su larga scala che tentano di rilevare direttamente particelle sconosciute, il nostro approccio è cercare effetti indiretti che cambiano qualcosa su scala molto piccola, " disse Winter. "Misurando molto precisamente questo fattore, possiamo dedurre se c'è o meno qualcosa di nuovo."

Se i nuovi dati confermano la misurazione precedente, gli scienziati hanno in programma di condurre l'esperimento con una precisione ancora maggiore. L'analisi di questi nuovi dati potrebbe dare un'idea della natura della nuova fisica, e potrebbe indicare quale rivelatore dovrebbe essere costruito per osservare direttamente le potenziali nuove particelle.