Per decenni, gli scienziati che studiano il muone sono rimasti perplessi da uno strano schema nel modo in cui i muoni ruotano nei campi magnetici, uno che ha lasciato i fisici a chiedersi se può essere spiegato dal Modello Standard, il miglior strumento che i fisici hanno per comprendere l'universo.

Questa settimana, un team internazionale di oltre 170 fisici ha pubblicato la previsione più affidabile finora per il valore teorico del momento magnetico anomalo del muone, che spiegherebbe la sua particolare rotazione, o precessione. Il momento magnetico delle particelle subatomiche è generalmente espresso in termini del fattore adimensionale di Landé, chiamato g. Mentre un certo numero di gruppi internazionali hanno lavorato separatamente sul calcolo, questa pubblicazione segna la prima volta che la comunità globale di fisica teorica si è riunita per pubblicare un valore di consenso per il momento magnetico del muone.

Il risultato differisce dalla misurazione sperimentale più recente, che è stata eseguita al Brookhaven National Laboratory nel 2004, ma non abbastanza in modo significativo per rispondere in modo univoco a questa domanda.

Ora il mondo attende il risultato dell'attuale esperimento Muon g-2 del Fermilab. Nei prossimi mesi, i fisici che lavorano all'esperimento sveleranno la loro misurazione preliminare per il valore. A seconda di quanto il calcolo teorico del Modello Standard differisca dalla prossima misurazione sperimentale, i fisici potrebbero essere un passo avanti nel determinare se le interazioni magnetiche del muone stiano alludendo a particelle o forze che devono ancora essere scoperte.

Alla fine degli anni '60 presso il laboratorio del CERN, gli scienziati hanno iniziato a utilizzare un grande anello magnetico circolare per testare la teoria che descriveva come i muoni dovrebbero "oscillare" quando si muovono attraverso un campo magnetico. Da allora, gli sperimentatori hanno continuato a quantificare quell'oscillazione, effettuare misurazioni sempre più precise del momento magnetico anomalo del muone.

Lo sforzo decennale alla fine ha portato a un esperimento al Brookhaven National Laboratory e al suo successore al Fermilab, così come i piani per un nuovo esperimento in Giappone. Allo stesso tempo, i teorici hanno lavorato per migliorare la precisione dei loro calcoli e mettere a punto le loro previsioni.

Il valore teorico del momento magnetico anomalo del muone, pubblicato oggi, è:

a =(g-2)/2 (muone, teoria) =116 591 810(43) x 10 ^-12

Il risultato sperimentale più preciso finora disponibile è:

a =(g-2)/2 (muone, expmt) =116 592 089(63) x 10 ^-12

Ancora, la leggera discrepanza tra le misurazioni sperimentali e il valore previsto è perdurata, e ancora una volta è appena sotto la soglia per fare una dichiarazione definitiva.

Questo valore teorico, pubblicato su arXiv, è il risultato di oltre tre anni di lavoro di 130 fisici di 78 istituzioni in 21 paesi.

"Non abbiamo mai avuto uno sforzo teorico come questo prima in cui tutte le diverse valutazioni sono combinate in un'unica previsione del modello standard, " disse Aida El-Khadra, un fisico presso l'Università dell'Illinois e co-presidente del Comitato direttivo per l'iniziativa Muon g-2 Theory, il nome del gruppo di scienziati che ha lavorato al calcolo.

Il loro lavoro si basa su un'unica equazione pubblicata nel 1928 che ha contemporaneamente avviato il campo dell'elettrodinamica quantistica e posto le basi per l'esperimento Muon g-2.

Una teoria elegante

Se dovessi chiedere ai fisici quale considerano l'equazione più accurata e di successo nel loro campo, è probabile che molti direbbero che è l'equazione di Dirac, che descrive la teoria quantistica relativistica dell'elettrone. Pubblicato nel 1928, Dirac descrisse il moto di spin degli elettroni, e la sua equazione colmò il divario tra la teoria della relatività di Einstein e la teoria della meccanica quantistica, e involontariamente predisse l'esistenza dell'antimateria con una sola equazione.

Dirac è stato anche in grado di calcolare qualcosa chiamato il momento magnetico dell'elettrone, che ha descritto come "un bonus inaspettato".

Gli elettroni possono essere pensati come minuscole trottole che ruotano sul loro asse, una proprietà intrinseca che fa agire ogni elettrone come un minuscolo magnete. Quando posto in un campo magnetico, come quelli generati negli acceleratori di particelle, gli elettroni precederanno o oscilleranno sul loro asse secondo uno schema specifico e prevedibile. Questa oscillazione è un effetto del momento magnetico della particella, e si applica a più degli elettroni. Ogni particella elettricamente carica con ½ spin (lo spin è quantificato in mezze unità) si comporta allo stesso modo, comprese le particelle chiamate muoni, che hanno le stesse proprietà degli elettroni ma sono più di 200 volte più massicci.

equazione di Dirac, che non ha tenuto conto degli effetti delle fluttuazioni quantistiche, predisse che g sarebbe uguale a 2. L'esperimento ha mostrato che il valore effettivo differisce da quella semplice aspettativa, da cui il nome "muone g-2".

I fisici ora hanno una comprensione molto migliore di cosa sono queste fluttuazioni quantistiche e di come si comportano su scale subatomiche, ma calcolare con precisione come influenzano il percorso del muone non è un compito facile.

"Calcolare gli effetti di queste fluttuazioni quantistiche al livello di precisione richiesto dall'esperimento moderno non è qualcosa che una persona brillante può fare da sola, " El-Khadra ha detto. "Ci vuole davvero l'intero villaggio."

Incontro delle menti

Con così tanti fisici che lavorano sugli ultimi sviluppi della teoria in tutto il mondo, El-Khadra e i suoi colleghi del Fermilab sapevano che il modo migliore per facilitare le interazioni tra i gruppi era riunirli tutti. Così, a partire dal 2016, El-Khadra e i suoi colleghi del Fermilab Theory Group, insieme allo scienziato del Brookhaven National Laboratory Christoph Lehner, Co-presidente dell'Iniziativa Teorica, e molti altri collaboratori internazionali hanno contattato i leader della comunità globale di fisici che lavorano su questo problema per mettere insieme una nuova iniziativa, l'iniziativa della teoria del muone g-2. L'iniziativa, guidato da un comitato direttivo di nove persone che include i leader di tutti i maggiori sforzi sia in teoria che in esperimento, organizzato una serie di workshop in tutto il mondo, compresi negli Stati Uniti, Giappone e Germania, il primo dei quali è stato ospitato al Fermilab nel 2017.

"Abbiamo avuto delle discussioni molto intense, "El-Khadra ha detto, "Ciò ha portato a confronti più dettagliati e a una migliore comprensione dei pro e dei contro dei vari approcci".

L'istituzione della Muon g-2 Theory Initiative è stato il primo sforzo internazionale coerente per riunire tutte le parti che lavorano sul valore del modello standard del momento magnetico anomalo del muone.

"Prima che questa iniziativa iniziasse, c'erano una serie di valutazioni in letteratura del valore del Modello Standard, ognuno dei quali differiva leggermente dagli altri, ", ha detto lo scienziato della Boston University Lee Roberts, co-fondatore dell'esperimento Fermilab e membro dello Steering Committee dell'iniziativa. "La cosa notevole è che questa comunità mondiale è stata in grado di riunirsi e di concordare il 'migliore' valore per ciascuno dei contributi al valore del momento magnetico del muone".

Calcoli quantistici

"I muoni e le altre particelle con spin ½ non sono mai veramente soli nell'universo, ", ha affermato lo scienziato del Fermilab Chris Polly, che è uno dei portavoce di Muon g-2, insieme al fisico Mark Lancaster dell'Università di Manchester. "Interagiscono con un intero entourage di particelle che entrano ed escono costantemente dall'esistenza".

Le due principali fonti di incertezza sono la polarizzazione adronica nel vuoto e la diffusione luce per luce, in cui un muone emette e riassorbe fotoni dopo che hanno viaggiato attraverso una bolla di quark e gluoni. Entrambi questi fattori si combinano per costituire meno dello 0,01% dell'effetto sull'oscillazione del muone, ma costituiscono la principale fonte di incertezza nel calcolo della teoria.

Il calcolo della diffusione luce per luce del contributo adronico si è dimostrato particolarmente difficile, e prima dell'inizio della Muon g-2 Theory Initiative, i fisici non avevano ancora prodotto stime attendibili dei suoi effetti. Il meglio che potevano fare erano approssimazioni approssimative che hanno portato alcuni a chiedersi se queste valutazioni della diffusione luce per luce potessero essere la fonte della differenza tra il momento magnetico anomalo calcolato del muone e il valore misurato sperimentalmente.

Ma i teorici ora sono fiduciosi di poter mettere a tacere questi dubbi. Grazie agli sforzi eroici degli ultimi anni all'interno della comunità teorica, non solo uno, ma sono ora disponibili due valutazioni indipendenti, ciascuno con incertezze stimate in modo affidabile, che sono inclusi nell'errore totale della previsione del Modello Standard sopra elencato.

"Ora abbiamo quantificato il contributo della diffusione luce per luce nella misura in cui non può più essere utilizzato come spiegazione per salvare il modello standard se il valore sperimentale risulta differire significativamente dalla previsione teorica, ", ha affermato il fisico del Brookhaven National Laboratory Christoph Lehner, Co-presidente dell'Iniziativa Teorica.

E con così tante corse sulla linea, El-Khadra e altri membri della Theory Initiative non hanno lasciato nulla al caso.

"Abbiamo fortemente sottolineato l'importanza di includere valutazioni basate su diversi metodi nella nostra costruzione della previsione del Modello Standard del momento magnetico anomalo del muone, " ha detto El-Khadra. "Perché se troviamo che la misurazione dell'esperimento Fermilab non è coerente con il modello standard, vogliamo essere sicuri».