La notizia che i muoni hanno un piccolo movimento in più nel loro passo ha fatto girare la voce in tutto il mondo questa primavera.

L'esperimento Muon g-2 ospitato presso il Fermi National Accelerator Laboratory ha annunciato il 7 aprile di aver misurato una particella chiamata muone che si comportava in modo leggermente diverso da quanto previsto nel loro gigantesco acceleratore. Era la prima notizia inaspettata nella fisica delle particelle da anni.

Tutti sono eccitati, ma poco più degli scienziati il ​​cui compito è di sputare teorie su come è messo insieme l'universo. Per questi teorici, l'annuncio li fa rispolverare vecchie teorie e speculare su nuove.

"A molti di noi, sembra e odora di nuova fisica, " ha detto il prof. Dan Hooper. "Può darsi che un giorno si guardi indietro a questo e questo risultato sia visto come un araldo".

Gordan Krnjaic, un collega fisico teorico, concordato:"È un ottimo momento per essere uno speculatore".

I due scienziati sono affiliati all'Università di Chicago e al Fermilab; nessuno dei due ha lavorato direttamente sull'esperimento Muon g-2, ma entrambi erano euforici per i risultati. A loro, queste scoperte potrebbero essere un indizio che indica la strada per svelare gli ultimi misteri della fisica delle particelle, e con essa, la nostra comprensione dell'universo nel suo insieme.

Stabilire lo standard

Il problema era che tutto stava andando come previsto.

Basato su esperimenti e teorie secolari risalenti ai giorni delle prime ricerche di Albert Einstein, gli scienziati hanno abbozzato una teoria su come l'universo, dalle sue particelle più piccole alle sue forze più grandi, è messo insieme. Questa spiegazione, chiamato Modello Standard, fa un buon lavoro nel collegare i punti. Ma ci sono alcuni buchi, cose che abbiamo visto nell'universo che non sono considerate nel modello, come materia oscura.

Nessun problema, pensavano gli scienziati. Hanno costruito esperimenti più grandi, come il Large Hadron Collider in Europa, studiare le proprietà fondamentali delle particelle, sicuro che questo avrebbe fornito indizi. Ma anche se guardavano più in profondità, niente di quello che hanno trovato sembrava non essere al passo con il Modello Standard. Senza nuove strade da indagare, gli scienziati non avevano idea di dove e come cercare spiegazioni per le discrepanze come la materia oscura.

Quindi, finalmente, i risultati dell'esperimento Muon g-2 sono arrivati ​​dal Fermilab (che è affiliato con l'Università di Chicago). L'esperimento ha riportato una piccola differenza tra come i muoni dovrebbero comportarsi secondo il Modello Standard, e cosa stavano effettivamente facendo all'interno del gigantesco acceleratore.

Mormorii scoppiati in tutto il mondo, e le menti di Hooper, Krnjaic ei loro colleghi di fisica teorica iniziarono a gareggiare. Quasi ogni spiegazione per una nuova piega nella fisica delle particelle avrebbe profonde implicazioni per la storia dell'universo.

Questo perché le particelle più piccole influenzano le forze più grandi dell'universo. Le minuscole differenze nelle masse di ogni particella influenzano il modo in cui l'universo si è espanso e si è evoluto dopo il Big Bang. A sua volta, che influenza tutto, dal modo in cui le galassie sono tenute insieme fino alla natura stessa della materia. Ecco perché gli scienziati vogliono misurare con precisione come la farfalla ha sbattuto le ali.

I probabili sospetti

Finora, ci sono tre principali spiegazioni possibili per i risultati di Muon g-2, se è davvero una nuova fisica e non un errore.

Uno è una teoria nota come "supersimmetria, " che era molto di moda nei primi anni 2000, Ha detto Hopper. La supersimmetria suggerisce che ogni particella subatomica ha una particella partner. È attraente per i fisici perché è una teoria generale che spiega diverse discrepanze, compresa la materia oscura; ma il Large Hadron Collider non ha visto alcuna prova di queste particelle extra. Ancora.

Un'altra possibilità è che alcuni sconosciuti, una forma di materia relativamente pesante interagisce fortemente con i muoni.

Finalmente, potrebbero esistere anche altri tipi di particelle luminose esotiche, ancora da scoprire, che interagiscono debolmente con i muoni e causano l'oscillazione. Krnjaic e Hooper hanno scritto un articolo che spiega cosa una particella così leggera, che chiamarono "Z primo, " potrebbe significare per l'universo.

"Queste particelle dovrebbero essere esistite dal Big Bang, e ciò significherebbe altre implicazioni, ad esempio, potrebbero avere un impatto sulla velocità con cui l'universo si stava espandendo nei suoi primi istanti, " disse Krnjaic.

Ciò potrebbe combaciare con un altro mistero su cui gli scienziati stanno riflettendo, chiamata costante di Hubble. Quel numero dovrebbe indicare la velocità con cui l'universo si sta espandendo, ma varia leggermente a seconda del modo in cui lo si misura, una discrepanza che potrebbe indicare un pezzo mancante a nostra conoscenza.

Ci sono altri, ulteriori possibilità, come il fatto che i muoni vengano urtati da particelle che entrano ed escono dall'esistenza da altre dimensioni. ("Una cosa di cui i fisici delle particelle sono raramente accusati è la mancanza di creatività, "disse Hopper.)

Ma gli scienziati hanno detto che è importante non respingere le teorie a priori, non importa quanto possano sembrare selvaggi.

"Non vogliamo trascurare qualcosa solo perché suonava strano, " ha detto Hooper. "Cerchiamo costantemente di scuotere gli alberi per ottenere ogni idea che possiamo là fuori. Vogliamo dargli la caccia ovunque si nasconda".

Sigma passi

Il primo passo, però, è confermare che il risultato Muon g-2 è vero. Gli scienziati hanno un sistema per dire se i risultati di un esperimento sono reali e non solo un errore nei dati. Il risultato annunciato ad aprile ha raggiunto 4.2 sigma; il benchmark che significa che è quasi certamente vero è 5 sigma.

"Se è davvero una nuova fisica, saremo molto più vicini a sapere in un anno o due, " disse Hooper. L'esperimento Muon g-2 ha molti più dati da esaminare. Nel frattempo, i risultati di alcuni calcoli teorici molto complicati, così complessi che anche i più potenti supercomputer del mondo devono masticarli per mesi o anni, dovrebbero essere sballati.

Quei risultati, se raggiungono un livello di confidenza 5 sigma, indicherà agli scienziati dove andare dopo. Per esempio, Krnjaic ha contribuito a proporre un programma del Fermilab chiamato M3 che potrebbe restringere le possibilità sparando un raggio di muoni su un bersaglio metallico, misurando l'energia prima e dopo che i muoni colpiscono. Questi risultati potrebbero indicare la presenza di una nuova particella.

Nel frattempo, al confine franco-svizzero, il Large Hadron Collider è programmato per l'aggiornamento a una luminosità più elevata che produrrà più collisioni. Nei loro dati potrebbero apparire nuove prove di particelle o altri fenomeni.

Tutta questa eccitazione per un'oscillazione potrebbe sembrare una reazione eccessiva. Ma piccole discrepanze possono, e avere, portato a massicci sconvolgimenti. Già nel 1850, gli astronomi che effettuavano misurazioni dell'orbita di Mercurio notarono che era leggermente diverso da quanto previsto dalla teoria della gravità di Newton. "Quell'anomalia, insieme ad altre prove, alla fine ci ha portato alla teoria della relatività generale, " disse Hopper.

"Nessuno sapeva di cosa si trattasse, ma ha convinto le persone a pensare e sperimentare. La mia speranza è che un giorno guarderemo indietro a questo risultato muonico allo stesso modo".