Una nuova stima della forza del campo magnetico attorno al muone, una particella subatomica simile a, ma più pesante di, un elettrone:colma il divario tra teoria e misurazioni sperimentali, portandolo in linea con il modello standard che ha guidato la fisica delle particelle per decenni.

Un articolo che descrive la ricerca di un team internazionale di scienziati appare l'8 aprile, 2021 sul giornale Natura .

Venti anni fa, in un esperimento al Brookhaven National Laboratory, i fisici hanno rilevato quella che sembrava essere una discrepanza tra le misurazioni del "momento magnetico" del muone - la forza del suo campo magnetico - e i calcoli teorici di quale dovrebbe essere quella misurazione, aumentando la possibilità allettante di particelle o forze fisiche non ancora scoperte. La nuova scoperta riduce questa discrepanza, suggerendo che il magnetismo del muone probabilmente non è affatto misterioso. Per ottenere questo risultato, invece di basarsi su dati sperimentali, i ricercatori hanno simulato ogni aspetto dei loro calcoli da zero, un compito che richiede un'enorme potenza di supercalcolo.

"La maggior parte dei fenomeni in natura può essere spiegata da quello che chiamiamo il 'modello standard' della fisica delle particelle, " disse Zoltan Fodor, professore di fisica alla Penn State e leader del gruppo di ricerca. "Possiamo prevedere le proprietà delle particelle in modo estremamente preciso basandoci solo su questa teoria, quindi quando teoria ed esperimento non coincidono, possiamo essere entusiasti di aver trovato qualcosa di nuovo, qualcosa al di là del modello standard."

Per una scoperta di nuova fisica oltre il modello standard, c'è consenso tra i fisici che il disaccordo tra teoria e misurazione deve raggiungere i cinque sigma, una misura statistica che equivale a una probabilità di circa 1 su 3,5 milioni.

Nel caso del muone, le misurazioni del suo campo magnetico hanno deviato dalle previsioni teoriche esistenti di circa 3,7 sigma. Intrigante, ma non abbastanza per dichiarare la scoperta di una nuova rottura nelle regole della fisica. Così, i ricercatori si sono proposti di migliorare sia le misurazioni che la teoria nella speranza di conciliare teoria e misurazione o di aumentare il sigma a un livello che consentisse la dichiarazione di una scoperta di nuova fisica.

"La teoria esistente per stimare la forza del campo magnetico del muone si basava su misurazioni sperimentali di annichilazione elettrone-positrone, " ha detto Fodor. "Per avere un altro approccio, abbiamo usato una teoria completamente verificata che era completamente indipendente dalla dipendenza da misurazioni sperimentali. Abbiamo iniziato con equazioni piuttosto semplici e abbiamo costruito l'intera stima da zero".

I nuovi calcoli hanno richiesto centinaia di milioni di ore di CPU in più centri di supercomputer in Europa e riportano la teoria in linea con la misurazione. Però, la storia non è ancora finita. Nuovo, sono attese a breve misure sperimentali più precise del momento magnetico del muone.

"Se i nostri calcoli sono corretti e le nuove misurazioni non cambiano la storia, sembra che non abbiamo bisogno di una nuova fisica per spiegare il momento magnetico del muone:segue le regole del modello standard, " disse Fodor. "Anche se, la prospettiva di una nuova fisica è sempre allettante, è anche emozionante vedere teoria ed esperimento allinearsi. Dimostra la profondità della nostra comprensione e apre nuove opportunità di esplorazione".

L'eccitazione è tutt'altro che finita.

"Il nostro risultato dovrebbe essere verificato da altri gruppi e li anticipiamo, " disse Fodor. "Inoltre, la nostra scoperta significa che c'è una tensione tra i risultati teorici precedenti e quelli nuovi. Questa discrepanza dovrebbe essere compresa. Inoltre, i nuovi risultati sperimentali potrebbero essere vicini a quelli vecchi o più vicini ai precedenti calcoli teorici. Abbiamo molti anni di entusiasmo davanti a noi".