La fisica moderna è piena del tipo di contorto, trame puzzle-in-un-puzzle che troveresti in un classico romanzo poliziesco:sia i fisici che i detective devono separare accuratamente gli indizi importanti dalle informazioni non correlate. Sia i fisici che i detective a volte devono spingersi oltre la spiegazione ovvia per rivelare completamente cosa sta succedendo.

E sia per i fisici che per i detective, scoperte epocali possono dipendere da deduzioni a livello di Sherlock Holmes basate su prove facili da trascurare. Caso in questione:l'esperimento Muon g-2 attualmente in corso presso il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti.

L'attuale esperimento Muon g-2 (pronunciato "g meno due") è in realtà un sequel, un esperimento progettato per riesaminare una leggera discrepanza tra la teoria e i risultati di un precedente esperimento al Brookhaven National Laboratory, che era anche chiamato Muon g-2.

La discrepanza potrebbe essere un segno che è in corso una nuova fisica. Gli scienziati vogliono sapere se la misurazione regge... o se non è altro che un'aringa rossa.

La collaborazione Fermilab Muon g-2 ha annunciato che presenterà il suo primo risultato il 7 aprile. Fino ad allora, sveliamo i fatti del caso.

Il misterioso momento magnetico

tutto gira, oggetti carichi, inclusi i muoni e i loro fratelli particellari più noti, elettroni:generano i propri campi magnetici. La forza del campo magnetico di una particella è indicata come il suo "momento magnetico" o il suo "fattore g". (Questo è ciò a cui si riferisce la parte "g" di "g-2".)

Per comprendere la parte "-2" di "g-2, "Dobbiamo viaggiare un po' indietro nel tempo.

Gli esperimenti di spettroscopia negli anni '20 (prima della scoperta dei muoni nel 1936) hanno rivelato che l'elettrone ha uno spin intrinseco e un momento magnetico. Il valore di quel momento magnetico, G, sperimentalmente è risultato essere 2. Per quanto riguarda il motivo per cui questo era il valore, quel mistero è stato presto risolto utilizzando il nuovo ma in rapida crescita campo della meccanica quantistica.

Nel 1928, il fisico Paul Dirac, basandosi sul lavoro di Llewelyn Thomas e altri, ha prodotto un'equazione ormai famosa che combinava la meccanica quantistica e la relatività speciale per descrivere accuratamente il movimento e le interazioni elettromagnetiche degli elettroni e di tutte le altre particelle con lo stesso numero quantico di spin. L'equazione di Dirac, che incorporava lo spin come parte fondamentale della teoria, ha predetto che g dovrebbe essere uguale a 2, esattamente ciò che gli scienziati avevano misurato all'epoca.

Ma quando gli esperimenti divennero più precisi negli anni '40, sono emerse nuove prove che hanno riaperto il caso e hanno portato a nuove sorprendenti intuizioni sul regno quantistico.

Una cospirazione di particelle

L'elettrone, si è scoperto, aveva un po' di magnetismo in più che l'equazione di Dirac non teneva in considerazione. Quel magnetismo in più, matematicamente espresso come "g-2" (o l'importo che g differisce dalla previsione di Dirac), è noto come "momento magnetico anomalo". Per un po, gli scienziati non sapevano cosa l'avesse causato.

Se questo fosse un mistero di omicidio, il momento magnetico anomalo sarebbe una sorta di impronta digitale extra di provenienza sconosciuta su un coltello usato per pugnalare una vittima, un dettaglio piccolo ma sospetto che merita ulteriori indagini e potrebbe svelare una dimensione completamente nuova della storia.

Il fisico Julian Schwinger spiegò l'anomalia nel 1947 teorizzando che l'elettrone potesse emettere e poi riassorbire un "fotone virtuale". L'interazione fugace aumenterebbe leggermente il magnetismo interno dell'elettrone di un decimo di punto percentuale, l'importo necessario per allineare il valore previsto con l'evidenza sperimentale. Ma il fotone non è l'unico complice.

Col tempo, i ricercatori hanno scoperto che c'era una vasta rete di "particelle virtuali" che spuntavano costantemente dentro e fuori dall'esistenza dal vuoto quantistico. Questo è ciò che ha incasinato il piccolo magnete rotante dell'elettrone.

Il momento magnetico anomalo rappresenta l'influenza combinata simultanea di ogni possibile effetto di quegli effimeri cospiratori quantistici sull'elettrone. È più probabile che si verifichino alcune interazioni, o sono più sentiti di altri, e quindi danno un contributo maggiore. Ma ogni particella e forza nel Modello Standard prende parte.

I modelli teorici che descrivono queste interazioni virtuali hanno avuto un discreto successo nel descrivere il magnetismo degli elettroni. Per il g-2 dell'elettrone, i calcoli teorici sono ora in così stretto accordo con il valore sperimentale che è come misurare la circonferenza della Terra con una precisione inferiore alla larghezza di un singolo capello umano.

Tutte le prove indicano un danno quantistico perpetrato da particelle note che causano anomalie magnetiche. Caso chiuso, Giusto?

Non proprio. È giunto il momento di ascoltare la versione muonica della storia.

Non un capello fuori posto, o c'è?

Le prime misurazioni del momento magnetico anomalo del muone alla Columbia University negli anni '50 e al laboratorio di fisica europeo CERN negli anni '60 e '70 concordavano bene con le previsioni teoriche. L'incertezza della misurazione si è ridotta dal 2% nel 1961 allo 0,0007% nel 1979. Sembrava che la stessa cospirazione di particelle che influenzava il g-2 dell'elettrone fosse responsabile anche del momento magnetico del muone.

Ma allora, nel 2001, l'esperimento Brookhaven Muon g-2 ha rivelato qualcosa di strano. L'esperimento è stato progettato per aumentare la precisione delle misurazioni del CERN e osservare il contributo della forza debole all'anomalia. È riuscito a ridurre le barre di errore a mezza parte per milione. Ma ha anche mostrato una minuscola discrepanza, meno di 3 parti per milione, tra la nuova misurazione e il valore teorico. Questa volta, i teorici non riuscivano a trovare un modo per ricalcolare i loro modelli per spiegarlo. Nulla nel Modello Standard potrebbe spiegare la differenza.

Era l'equivalente del mistero della fisica di un singolo capello trovato sulla scena del crimine con il DNA che non sembrava corrispondere a nessuno collegato al caso. La domanda era, ed è tuttora, se la presenza dei capelli sia solo una coincidenza, o se si tratta effettivamente di un indizio importante.

I fisici stanno ora riesaminando questi "capelli" al Fermilab, con il supporto del DOE Office of Science, la Fondazione Nazionale della Scienza e diverse agenzie internazionali in Italia, il Regno Unito, l'Unione Europea, Cina, Corea e Germania.

Nel nuovo esperimento Muon g-2, un raggio di muoni - i loro spin puntano tutti nella stessa direzione - viene sparato in un tipo di acceleratore chiamato anello di accumulo. Il forte campo magnetico dell'anello mantiene i muoni su un percorso circolare ben definito. Se g fosse esattamente 2, allora gli spin dei muoni seguirebbero esattamente il loro momento. Ma, a causa del momento magnetico anomalo, i muoni hanno una leggera oscillazione aggiuntiva nella rotazione dei loro spin.

Quando un muone decade in un elettrone e due neutrini, l'elettrone tende a sparare nella direzione in cui puntava lo spin del muone. I rivelatori all'interno dell'anello raccolgono una parte degli elettroni lanciati dai muoni che subiscono l'oscillazione. La registrazione dei numeri e delle energie degli elettroni che rilevano nel tempo dirà ai ricercatori di quanto è ruotato lo spin del muone.

Usando lo stesso magnete dell'esperimento Brookhaven con una strumentazione significativamente migliore, più un fascio di muoni più intenso prodotto dal complesso acceleratore di Fermilab, i ricercatori stanno raccogliendo 21 volte più dati per ottenere una precisione quattro volte maggiore.

L'esperimento può confermare l'esistenza della discrepanza; potrebbe non trovare alcuna discrepanza, indicando un problema con il risultato Brookhaven; o potrebbe trovare qualcosa nel mezzo, lasciando il caso irrisolto.

Alla ricerca del mondo sotterraneo quantistico

C'è motivo di credere che stia succedendo qualcosa di cui il Modello Standard non ci ha parlato.

Il Modello Standard è una spiegazione straordinariamente coerente per praticamente tutto ciò che accade nel mondo subatomico. Ma ci sono ancora una serie di misteri irrisolti in fisica che non affronta.

Materia oscura, ad esempio, costituisce circa il 27% dell'universo. E ancora, gli scienziati non hanno ancora idea di cosa sia fatto. Nessuna delle particelle conosciute sembra adattarsi al conto. Il Modello Standard inoltre non può spiegare la massa del bosone di Higgs, che è sorprendentemente piccolo. Se l'esperimento Fermilab Muon g-2 determina che qualcosa al di là del Modello Standard, ad esempio una particella sconosciuta, interferisce in modo misurabile con il momento magnetico del muone, può indirizzare i ricercatori nella giusta direzione per chiudere un altro di questi file aperti.

Una discrepanza confermata in realtà non fornirà dettagli a livello di DNA su quale particella o forza sta rendendo nota la sua presenza, ma aiuterà a restringere gli intervalli di massa e forza di interazione in cui è più probabile che i futuri esperimenti trovino qualcosa di nuovo. Anche se la discrepanza svanisce, i dati saranno comunque utili per decidere dove cercare.

Potrebbe essere che un'oscura figura quantistica in agguato oltre il modello standard sia troppo ben nascosta per essere rilevata dalla tecnologia attuale. Ma se non lo è, i fisici non lasceranno nulla di intentato e nessun briciolo di prova non analizzato finché non risolveranno il caso.

Questa storia sull'esperimento Muon g-2 è stata originariamente pubblicata su Symmetry.