Cosa è circa 200 volte la massa di un elettrone, esiste per circa 2 milionesimi di secondo, colpisce continuamente ogni centimetro della superficie terrestre e sembra comportarsi in un modo tale da creare un varco nelle leggi della fisica da tempo accettate?
Si tratterebbe del muone, una particella scoperta per la prima volta alla fine degli anni '30, che si forma in natura quando i raggi cosmici colpiscono le particelle nell'atmosfera del nostro pianeta. I muoni attraversano te e tutto ciò che ti circonda a una velocità vicina a quella della luce. Tuttavia, molti di noi probabilmente non si sono nemmeno resi conto della loro esistenza fino all’aprile 2021, quando la particella ha fatto notizia dopo che i ricercatori del Fermi National Accelerator Laboratory del governo degli Stati Uniti – più comunemente noto come Fermilab – hanno pubblicato i primi risultati di uno studio triennale. -esperimento Muon g-2 lungo.
Lo studio del Fermilab ha confermato i risultati precedenti secondo cui il muone si comporta in modo contrario al Modello Standard della Fisica delle Particelle, il quadro teorico che mira a descrivere come funziona la realtà al livello più piccolo. Come spiega questo articolo su Science, i muoni – che esistono in un mare di altre minuscole particelle e antiparticelle che li influenzano – in realtà sono leggermente più magnetici di quanto previsto dal Modello Standard. Ciò, a sua volta, indica la possibile esistenza di altre particelle o forze ancora sconosciute.
Come uno dei ricercatori, il fisico Jason Bono, ha spiegato in un comunicato stampa dalla sua alma mater, la Florida International University, il team sapeva che se avessero confermato la discrepanza nel magnetismo dei muoni, "non sapremmo esattamente cosa la sta causando, ma sappiamo saprebbe che è qualcosa che ancora non capiamo."
I risultati iniziali, insieme ad altre recenti ricerche sulle particelle, potrebbero aiutare a costruire il caso di una nuova fisica che sostituirebbe il Modello Standard. Dal Fermilab, ecco un video di YouTube che spiega i risultati e il loro significato:
"I muoni sono come gli elettroni, tranne che 200 volte più pesanti", spiega Mark B. Wise, in un'intervista via email. È professore di fisica delle alte energie presso il California Institute of Technology e membro della prestigiosa Accademia Nazionale delle Scienze. (Se questo non ti impressiona abbastanza, ha anche lavorato come consulente tecnico sugli acceleratori di particelle per il film di Hollywood del 2010 "Iron Man 2").
"Secondo la formula di Einstein E=mc2, ciò significa che i muoni a riposo hanno un'energia maggiore degli elettroni", afferma Wise. "Ciò consente loro di decadere in particelle più leggere conservando comunque l'energia complessiva."
Un'altra differenza fondamentale è che si ritiene che gli elettroni siano abbastanza vicini all'immortalità, ma i muoni esistono solo per 2,2 milionesimi di secondo, prima di decadere in un elettrone e due tipi di neutrini, secondo questo primer del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti sulla particella.
I muoni che vengono costantemente creati quando i raggi cosmici colpiscono le particelle nell'atmosfera terrestre percorrono distanze sorprendenti nella loro breve esistenza, muovendosi quasi alla velocità della luce. Colpiscono ogni centimetro della superficie terrestre e attraversano quasi tutto nel loro percorso immediato, penetrando potenzialmente per un miglio o più nella superficie terrestre, secondo il DOE.
Alcuni hanno descritto i muoni come la chiave per comprendere tutte le particelle subatomiche, anche se Wise non si spinge così lontano. "Nella ricerca della fisica oltre la nostra attuale comprensione si dovrebbero studiare tutte le particelle", afferma. "Il muone presenta però alcuni vantaggi. Ad esempio, il suo momento magnetico anomalo è previsto in modo molto preciso, il che lo rende più sensibile alla nuova fisica, al di là della nostra attuale teoria che altererebbe questa previsione. Allo stesso tempo può essere misurato in modo molto preciso."
Studiare i muoni, però, non è una questione semplice. Il Fermilab sta utilizzando un dispositivo da 700 tonnellate (635 tonnellate metriche) contenente tre anelli, ciascuno di 50 piedi (15 metri) di diametro, che è stato spedito su chiatta e camion nell'Illinois dalla sua sede originale presso il Brookhaven National Laboratory di New York alcuni anni fa. Indietro. Il dispositivo è in grado di generare un campo magnetico di 1,45 Tesla, circa 30.000 volte quello del campo magnetico terrestre.
"È affascinante che per studiare qualcosa di così piccolo e di breve durata, abbiano bisogno di queste enormi attrezzature", spiega Wise. "Quando vengono prodotti ad alta energia viaggiano quasi alla velocità della luce e possono percorrere una discreta distanza prima di decadere. Quindi potresti cercare le prove che lasciano in un rilevatore."
Ad esempio, poiché i muoni sono particelle cariche, possono ionizzare la materia che attraversano. Gli elettroni prodotti da questa ionizzazione possono essere rilevati, secondo Wise.
Wise afferma che la recente scoperta del team del Fermilab secondo cui la particella è leggermente più magnetica di quanto i fisici si aspettassero è significativa. "Non è d'accordo con la previsione delle teorie attuali per il momento magnetico del muone (l'attuale teoria è solitamente chiamata Modello Standard). Quindi c'è qualche nuova fisica oltre a quella nella nostra teoria attuale che è presente e cambia la previsione per questa quantità," Wise dice
Come molte scoperte importanti, quella del Fermilab solleva nuove domande e c'è ancora molto che gli scienziati vogliono sapere sul muone.
"Qual è la nuova fisica è la domanda che solleva", dice Wise. "Ci sono anche altre anomalie che non sono spiegate nel [Modello Standard] e che coinvolgono i muoni. Sono tutte collegate in qualche modo?"
Wise lancia anche una nota di cautela riguardo ai risultati del Fermilab. "Potrebbe esserci qualche effetto sistematico nell'esperimento che non è stato compreso e che sta influenzando l'interpretazione della misurazione", spiega. "Lo stesso vale per la teoria. Quindi questa anomalia alla fine potrebbe scomparire. È molto importante verificare queste cose il più possibile."
Questo è interessanteCome osserva il fisico del Fermilab Chris Polly in questo saggio del 2020, ogni particella nell’universo – anche nelle distese di spazio più profonde e apparentemente vuote – è circondata da un “entourage” di altre particelle, che continuamente “lampeggiano dentro e fuori dall’esistenza. "
