C'è una differenza tra il valore teorico del momento magnetico di un muone, una particella che appartiene alla stessa classe dell'elettrone, e i valori ottenuti negli esperimenti ad alta energia condotti negli acceleratori di particelle. La differenza appare solo all'ottavo decimale, ma gli scienziati ne sono rimasti incuriositi da quando è stata scoperta nel 1948.

Non è un dettaglio:può indicare se il muone interagisce con particelle di materia oscura o altri bosoni di Higgs o anche se nel processo sono coinvolte forze sconosciute.

Il valore teorico del momento magnetico del muone, rappresentato dalla lettera g, è dato dall'equazione di Dirac — formulata dal fisico inglese e premio Nobel nel 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno dei fondatori della meccanica quantistica e dell'elettrodinamica quantistica — come 2. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che g non è esattamente 2, e c'è molto interesse nel comprendere "g-2", cioè la differenza tra il valore sperimentale e il valore previsto dall'equazione di Dirac.

Il miglior valore sperimentale attualmente disponibile, ottenuto con un impressionante grado di precisione presso il Fermi National Accelerator Laboratory negli Stati Uniti e annunciato nell’agosto 2023, è 2,00116592059, con un intervallo di incertezza di più o meno 0,00000000022. Informazioni sull'esperimento Muon G-2 condotto al Fermilab possono essere trovate su:muon-g-2.fnal.gov/ .

"La determinazione precisa del momento magnetico del muone è diventata una questione chiave nella fisica delle particelle perché l'indagine di questo divario tra i dati sperimentali e la previsione teorica può fornire informazioni che potrebbero portare alla scoperta di qualche nuovo effetto spettacolare", ha affermato il fisico Diogo Boito. professore presso l'Istituto di fisica São Carlos (IFSC-USP) dell'Università di San Paolo, ha dichiarato ad Agência FAPESP.

Un articolo sull'argomento di Boito e collaboratori è pubblicato sulla rivista Physical Review Letters .

"I nostri risultati sono stati presentati in due importanti eventi internazionali. Prima da me durante un workshop a Madrid, in Spagna, e poi dal mio collega Maarten Golterman della San Francisco State University in un incontro a Berna, in Svizzera," ha detto Boito.

Questi risultati quantificano e indicano l'origine di una discrepanza tra i due metodi utilizzati per fare le attuali previsioni del muone g-2.

"Ci sono attualmente due metodi per determinare una componente fondamentale di g-2. Il primo si basa su dati sperimentali, e il secondo su simulazioni al computer della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che studia le interazioni forti tra i quark. Questi due metodi producono risultati abbastanza diversi, il che rappresenta un grosso problema, finché non sarà risolto, non potremo studiare i contributi di possibili particelle esotiche come i nuovi bosoni di Higgs o la materia oscura, per esempio, a g-2," ha spiegato.

Lo studio è riuscito a spiegare la discrepanza, ma per capirla dobbiamo fare qualche passo indietro e ricominciare con una descrizione un po' più dettagliata del muone.

Il muone è una particella che appartiene alla classe dei leptoni, come l'elettrone, ma ha una massa molto più grande. Per questo motivo è instabile e sopravvive solo per brevissimo tempo in un contesto ad alta energia. Quando i muoni interagiscono tra loro in presenza di un campo magnetico, decadono e si raggruppano come una nuvola di altre particelle, come elettroni, positroni, bosoni W e Z, bosoni di Higgs e fotoni.

Negli esperimenti i muoni sono quindi sempre accompagnati da molte altre particelle virtuali. Il loro contributo rende il momento magnetico effettivo misurato negli esperimenti maggiore del momento magnetico teorico calcolato dall'equazione di Dirac, che è uguale a 2.

"Per ottenere la differenza [g-2], è necessario considerare tutti questi contributi, sia quelli previsti dalla QCD [nel Modello Standard della fisica delle particelle] sia altri che sono più piccoli ma appaiono nelle misurazioni sperimentali ad alta precisione. Ne conosciamo diversi di questi contributi molto bene, ma non di tutti," ha detto Boito.

Gli effetti dell’interazione forte della QCD non possono essere calcolati teoricamente da soli, poiché in alcuni regimi energetici sono impraticabili, quindi ci sono due possibilità. Uno è in uso da tempo e prevede il ricorso ai dati sperimentali ottenuti dalle collisioni elettrone-positrone, che creano altre particelle costituite da quark. L'altro è la QCD reticolare, che è diventata competitiva solo nell'attuale decennio e prevede la simulazione del processo teorico in un supercomputer.

"Il problema principale con la previsione del muone g-2 in questo momento è che il risultato ottenuto utilizzando i dati delle collisioni elettrone-positrone non concorda con il risultato sperimentale totale, mentre i risultati basati sulla QCD reticolare sì. Nessuno era sicuro del perché, e il nostro studio chiarisce parte di questo enigma," ha detto Boito.

Lui e i suoi colleghi hanno condotto le loro ricerche proprio per risolvere questo problema. "L'articolo riporta i risultati di una serie di studi in cui abbiamo sviluppato un nuovo metodo per confrontare i risultati delle simulazioni della QCD reticolare con i risultati basati su dati sperimentali. Mostriamo che è possibile estrarre dai dati i contributi calcolati nel reticolo con grande precisione:i contributi dei cosiddetti diagrammi di Feynman connessi," ha affermato.

Il fisico teorico americano Richard Feynman (1918-1988) vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1965 (insieme a Julian Schwinger e Shin'ichiro Tomonaga) per il lavoro fondamentale nell'elettrodinamica quantistica e nella fisica delle particelle elementari. I diagrammi di Feynman, creati nel 1948, sono rappresentazioni grafiche delle espressioni matematiche che descrivono l'interazione di tali particelle e vengono utilizzate per semplificare i rispettivi calcoli.

"Nello studio abbiamo ottenuto per la prima volta con grande precisione i contributi dei diagrammi di Feynman connessi nella cosiddetta 'finestra energetica intermedia'. Oggi abbiamo otto risultati per questi contributi, ottenuti mediante simulazioni QCD reticolari, e tutti concordano in misura significativa, inoltre, dimostriamo che i risultati basati sui dati di interazione elettrone-positrone non concordano con questi otto risultati delle simulazioni," ha affermato Boito.

Ciò ha permesso ai ricercatori di individuare la fonte del problema e pensare a possibili soluzioni. "È diventato chiaro che se i dati sperimentali per il canale a due pioni fossero sottostimati per qualche motivo, questa potrebbe essere la causa della discrepanza", ha detto. I pioni sono mesoni, particelle costituite da un quark e un antiquark prodotti in collisioni ad alta energia.

In effetti, nuovi dati (ancora in fase di revisione paritaria) dell'esperimento CMD-3 condotto presso l'Università statale di Novosibirsk in Russia sembrano mostrare che i dati più antichi del canale a due pioni potrebbero essere stati sottostimati per qualche motivo.