La nuova fisica nasce da una scoperta del Fermilab

All’interno del Fermilab, il laboratorio di ricerca di Batavia che si occupa dello studio della fisica delle particelle elementari sono state recentemente condotti sotto il nome di Muon g-2 degli esperimenti e delle analisi di dati che potrebbero portare allo sviluppo di una nuova fisica che va oltre il modello standard.


La discrepanza dei valori di g potrebbe essere la prova dell’esistenza di nuove particelle o di forze naturali che ancora non si conoscono.

nuova fisica Fermilab

Cosa sono i Muoni?


I muoni, scoperti nel 1936 da Seth Neddermeyer e Carl David Anderson, sono delle particelle elementari che nascono dall’incontro dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, come gli elettroni hanno la carica elettrica negativa ma sono oltre 200 volte più pesanti. Queste particelle sono molto instabili infatti decadono radioattivamente in elettroni e neutrini alla velocità di 2 milionesimi di secondo.


La scoperta non ha avuto una grande risonanza, anzi la sua importanza è stata a lungo minimizzata. Il tempo però è galantuomo e i muoni hanno saputo dimostrare la loro rilevanza: è stato infatti dimostrato che i muoni quando si trovano all’interno di un campo magnetico si comportano come calamite che si attraggono e respingono con movimenti simili a quelli dell’asse di rotazione di una trottola in movimento. La loro interazione in questo contesto si misura con il fattore giromagnetico, una grandezza che si indica con la lettera g. Il fattore giromagnetico g di un muone solitario dovrebbe essere pari a 2, ma, come stabilito dalla fisica quantistica, nel mondo microscopico ogni particella non è mai sola ma viene messa in relazione ad altre particelle che ne influenzano il comportamento.


Di conseguenza i muoni non sono mai soli, ed è proprio per questo motivo che il fattore giromagnetico del muone, diversamente da quanto ipotizzato, è leggermente superiore a 2.

Gli esperimenti su g-2 nella storia


Gli esperimenti sul momento magnetico dei muoni sono stati condotti già a partire dagli anni Settanta, in quegli anni al CERN sotto la guida di Emilio Picasso numerosi scienziati si sono impegnati nella misurazione del g-2 senza però riuscire a ottenere risultati precisi. Col tempo grazie al progresso tecnologico e all’invenzione di nuovi acceleratori di particelle è stato possibile fare diversi progressi nel campo della fisica sperimentale.


Diversi anni più tardi, nel 200 1, presso il Brookhaven National Laboratory era stato fatto un nuovo tentativo grazie al Alternating Gradient Synchrotron, un acceleratore di particelle avanzato e di ultima tecnologia, anche quella volta il valore misurato era diverso da quello stabilito dal modello standard, l’esperimento però non venne considerato rilevante a livello statistico.


L’esperimento del Muon g-2

L’esperimento Muon g-2 condotto al Fermilab di Chicago nasce per misurare la differenza tra il valore di g atteso e quello misurato e capirne le motivazioni e gli eventuali risvolti. Se i risultati definitivi si sono resi pubblici soltanto ora, i primi passi di questa scoperta sono iniziati nel 2018.


I fisici sperimentali si sono impegnati a raccogliere una quantità di dati venti volte superiori al tentativo del 2001 in modo tale che questa volta i risultati potessero essere dichiarati statisticamente rilevanti. Dal canto loro, i fisici teorici hanno ricalcolato il valore di g confermando la differenza tra valore atteso e valore misurato condotta durante gli esperimenti di Brookahven così da confermare una forte base teorica.


I risultati uniti assieme a quelli precedenti hanno dimostrato che la differenza tra i due valori di g, quello teorizzato e quello misurato sperimentalmente, possiede una significatività di 4,2 sigma. Un valore molto basso per la comunità scientifica che per dare l’ufficialità di una scoperta necessità di una significatività di 5 sigma. Per arrivare a questi risultati ci vorrà ancora del tempo, per ora si aspetta l’analisi dei dati riconducibili agli esperimenti condotti tra il 2019 e 2019 che dovrebbe essere pronta tra qualche anno.

esperimento Muon g-2

I risultati dell’analisi dei dati del 2018, sebbene non ancora sufficienti per determinare la rilevanza scientifica della scoperta, hanno comunque generato una forte attenzione della comunità scientifica in quanto se le analisi successive la confermassero potrebbe determinare l’esistenza di una nuova Fisica che non è compresa nel modello standard delle particelle elementari.


Cos’è la nuova fisica?


Dopo l’annuncio della nuova scoperta sono stati pubblicati oltre 30 articoli teorici che spiegano il risultato degli esperimenti. All’interno dei vari testi si fa addirittura riferimento a nuove forze della natura e nuove particelle, la domanda sorge spontanea, qualora i dati venissero confermati, di cosa tratterebbe la nuova fisica?


La nuova fisica opererebbe in un campo che va oltre il modello standard conosciuto.

Il modello standard suddivide infatti le particelle costituenti della materia in tre diverse famiglie: elettrone, muone e tau, ma non viene spiegato il perché esistono queste tre famiglie.


La nuova fisica potrebbe portare a capire il perché il muone si differenzia dall’elettrone solo per la sua massa, e magari sviluppare una prospettiva secondo la quale i muoni e gli elettroni sarebbero in realtà la stessa particella. Potrebbe anche esplorare i concetti di materia ed energia oscura che non vengono previsti all’interno del modello standard.


Al momento però queste sono soltanto ipotesi, la discrepanza tra i valori potrebbe addirittura risultare un errore, per capire cosa dobbiamo aspettarci dal futuro della fisica bisognerà aspettare l’analisi dei nuovi dati e dotarsi di tanta pazienza.


Articolo di Eleonora Orrù