Sette anni fa, un enorme magnete è stato trasportato su 3, 200 miglia (5, 150 km) tra terra e mare, nella speranza di studiare una particella subatomica chiamata muone.

I muoni sono strettamente legati agli elettroni, che orbitano attorno a ogni atomo e formano i mattoni della materia. L'elettrone e il muone hanno entrambi proprietà precisamente previste dalla nostra attuale migliore teoria scientifica che descrive il subatomico, mondo quantistico, il modello standard della fisica delle particelle.

Un'intera generazione di scienziati si è dedicata a misurare queste proprietà nei minimi dettagli. Nel 2001, un esperimento ha suggerito che una proprietà del muone non era esattamente come previsto dal modello standard, ma erano necessari nuovi studi per confermare. I fisici hanno spostato parte dell'esperimento su un nuovo acceleratore, al Fermilab, e ha iniziato a prendere più dati.

Una nuova misurazione ha ora confermato il risultato iniziale. Ciò significa che potrebbero esistere nuove particelle o forze che non sono considerate nel modello standard. Se questo è il caso, le leggi della fisica dovranno essere riviste e nessuno sa dove ciò possa portare.

Questo ultimo risultato nasce da una collaborazione internazionale, di cui entrambi facciamo parte. Il nostro team ha utilizzato acceleratori di particelle per misurare una proprietà chiamata momento magnetico del muone.

Ogni muone si comporta come un minuscolo magnete a barra quando esposto a un campo magnetico, un effetto chiamato momento magnetico. I muoni hanno anche una proprietà intrinseca chiamata "spin, " e la relazione tra lo spin e il momento magnetico del muone è nota come fattore g. Si prevede che la "g" dell'elettrone e del muone sia due, quindi g meno due (g-2) dovrebbe essere misurato per essere zero. Questo è ciò che stiamo testando al Fermilab.

Per questi test, gli scienziati hanno usato acceleratori, lo stesso tipo di tecnologia che il Cern usa all'LHC. L'acceleratore del Fermilab produce muoni in quantità e misure molto grandi, molto preciso, come interagiscono con un campo magnetico.

Il comportamento del muone è influenzato da "particelle virtuali" che entrano ed escono dal vuoto. Questi esistono fugacemente, ma abbastanza a lungo da influenzare il modo in cui il muone interagisce con il campo magnetico e modificare il momento magnetico misurato, anche se di poco.

Il modello standard prevede in modo molto preciso, a meglio di una parte su un milione, cos'è questo effetto. Finché sappiamo quali particelle gorgogliano dentro e fuori dal vuoto, esperimento e teoria dovrebbero coincidere. Ma, se esperimento e teoria non coincidono, la nostra comprensione del brodo di particelle virtuali potrebbe essere incompleta.

Nuove particelle

La possibilità di nuove particelle esistenti non è una speculazione oziosa. Tali particelle potrebbero aiutare a spiegare molti dei grandi problemi della fisica. Come mai, Per esempio, l'universo ha così tanta materia oscura, che fa ruotare le galassie più velocemente di quanto ci aspetteremmo, e perché quasi tutta l'antimateria creata nel Big Bang è scomparsa?

Il problema fino ad oggi è stato che nessuno ha visto nessuna di queste nuove particelle proposte. Si sperava che l'LHC al Cern li avrebbe prodotti in collisioni tra protoni ad alta energia, ma non sono ancora stati osservati.

La nuova misurazione ha utilizzato la stessa tecnica di un esperimento al "Brookhaven National Laboratory di New York, all'inizio del secolo, che a sua volta ha seguito una serie di misurazioni al Cern.

L'esperimento di Brookhaven ha misurato una discrepanza con il modello standard che ne aveva uno su 5, 000 possibilità di essere un colpo di fortuna statistico. Questa è approssimativamente la stessa probabilità di lanciare una moneta 12 volte di seguito, tutti a testa alta.

Questo era allettante, ma molto al di sotto della soglia per la scoperta, che generalmente è richiesto per essere migliore di uno su 1,7 milioni o 21 lanci di monete di fila. Per determinare se era in gioco una nuova fisica, gli scienziati dovrebbero aumentare la sensibilità dell'esperimento di un fattore quattro.

Per effettuare la misurazione migliorata, il magnete al centro dell'esperimento doveva essere spostato nel 2013 3, 200 miglia da Long Island lungo mare e strada, al Fermilab, fuori Chicago, i cui acceleratori potrebbero produrre una copiosa sorgente di muoni.

Una volta sul posto, un nuovo esperimento è stato costruito attorno al magnete con rivelatori e apparecchiature all'avanguardia. L'esperimento muone g-2 ha iniziato a raccogliere dati nel 2017, con una collaborazione di veterani dell'esperimento Brookhaven e una nuova generazione di fisici.

I nuovi risultati, dal primo anno di dati al Fermilab, sono in linea con la misurazione dell'esperimento di Brookhaven. La combinazione dei risultati rafforza la tesi di un disaccordo tra la misurazione sperimentale e il modello standard. Le probabilità ora sono circa una su 40, 000 della discrepanza sono un colpo di fortuna, ancora timido della soglia di scoperta del gold standard.

LHC

intrigante, anche una recente osservazione dell'esperimento LHCb al Cern ha riscontrato possibili deviazioni dal modello standard. La cosa interessante è che questo si riferisce anche alle proprietà dei muoni. Questa volta è una differenza nel modo in cui muoni ed elettroni vengono prodotti da particelle più pesanti. Le due tariffe dovrebbero essere le stesse nel modello standard, ma la misurazione sperimentale li ha trovati diversi.

Presi insieme, i risultati di LHCb e Fermilab rafforzano il caso che abbiamo osservato la prima prova del fallimento della previsione del modello standard, e che ci sono nuove particelle o forze in natura da scoprire.

Per la conferma definitiva, questo richiede più dati sia dall'esperimento del muone Fermilab che dall'esperimento LHCb del Cern. I risultati arriveranno nei prossimi anni. Il Fermilab ha già quattro volte più dati di quelli utilizzati in questo recente risultato, attualmente in fase di analisi, Il Cern ha iniziato a raccogliere più dati e si sta costruendo una nuova generazione di esperimenti sui muoni. Questa è un'era emozionante per la fisica.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation con una licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale.