Il 7 aprile scorso Fermilab ha pubblicato i risultati dell’esperimento Muon g-2 che aveva ereditato da quello portato avanti nel 2001 Brookhaven National Laboratory per misurare il momento di dipolo magnetico anomalo del muone.
Il muone è una particella elementare con carica elettrica negativa e spin pari a 1/2, caratteristico dei fermioni. Nel modello standard appartiene, come l’elettrone, il tauone e i neutrini, al gruppo dei leptoni. L’esperimento riguarda essenzialmente il modo in cui un muone ruota su se stesso quando si sposta attraverso un campo magnetico. Questa variazione nella direzione del movimento di rotazione, detta spin, può essere influenzata da particelle virtuali che appaiono e scompaiono nello spazio vuoto.
I risultati presentati da Fermilab vanno nella direzione di confermare la presenza di queste particelle virtuali nel nostro universo in grado di condizionare lo spin dei muoni, più di quanto effettivamente fanno le particelle “ordinarie”. Se questa discrepanza sarà confermata si tratterà di una scoperta per importanza, non inferiore a quella del bosone di Higgs. Una scoperta che potrebbe rimescolare le carte del modello Standard, la struttura con la quale attualmente descriviamo l’universo.
Una struttura matematica semplice, basata sulle simmetrie della natura, descrive il modo in cui le particelle elementari interagiscono tra loro tramite la forza elettromagnetica, forte e debole. E’ questa struttura matematica che gli scienziati chiamano modello Standard. Le stelle più lontane (nello spazio e nel tempo) sono fatte con le stesse tre particelle elementari con cui sono fatti i nostri corpi: l’elettrone ed i quark up e down, questi ultimi che formano protoni e neutroni.
La luce delle stelle non è altro che il prodotto della forza elettromagnetica che interagisce tra i protoni e gli elettroni. Il calore delle stelle è invece l’interazione forte che agisce su protoni e neutroni per produrre la fusione nucleare. La forza debole agisce sia sugli elettroni che sui quark, trasforma i protoni in neutroni e in elettroni carichi positivamente e controlla la fase iniziale del processo di fusione nucleare.
La quarta forza dell’universo, quella di gravità, non trova posto nel modello standard. Riuscire ad integrarla è uno degli obiettivi più importanti della ricerca. Il modello Standard che si è assemblato progressivamente con l’implementazione della conoscenza e delle conferme sperimentali è però un modello incompleto e che non ci fornisce tutte le risposte. Non spiega ad esempio la materia oscura. Ne come mai, in un determinato momento della storia dell’universo la materia ha preso il sopravvento sull’antimateria, permettendo l’esistenza di tutto quello che esiste (galassie, stelle, pianete, uomini, cani ed il blog su cui scriviamo).
L’esperimento Muon g-2 del Fermilab potrebbe confermare che per quanto affidabile e concreto il modello Standard descrive soltanto una parte di un mondo subatomico più ricco e complesso. Questo grazie appunto allo studio dei muoni e dei movimenti di rotazione di queste particelle. I muoni furono scoperti da Carl David Anderson e dal suo studente Seth Neddermeyer nel 1936: mentre studiavano i raggi cosmici essi notarono che, nell’attraversare un campo magnetico, alcune particelle deviavano la propria traiettoria in maniera diversa dagli elettroni e da altre particelle note; in particolare, venivano deflesse con una curvatura minore rispetto agli elettroni, ma maggiore rispetto ai protoni.
La maggior parte dei muoni che raggiungono la Terra è prodotta dai raggi cosmici: quando penetrano negli strati superiori dell’atmosfera, generano pioni, che a loro volta decadono in muoni e neutrini. I muoni così prodotti, con una vita media di 2,2 µs si muovono a grande velocità, sicché la loro vita media osservata dalla Terra è maggiore di quella osservata in un sistema nel quale essi sono in quiete, in accordo con la dilatazione temporale prevista dalla teoria della relatività ristretta. Ogni minuto 10.000 muoni attraversano il nostro corpo.
Queste particelle hanno le stesse caratteristiche degli elettroni ma una massa 200 volte più grande. Questo rende il muone una “sonda” da laboratorio particolarmente utile perché eventuali deviazioni dal comportamento previsto saranno più evidenti.
Per come sono formulate le equazioni del modello Standard se il muone non oscillasse affatto il valore di g (la velocità di precessione che dipende dal magnete interno del muone) è pari a 2. Se così fosse la direzione del moto e dello spin del muone sarebbero sempre uguali a g-2 ovvero zero. In questo caso non si osserverebbe alcuna oscillazione del muone. Questa è la situazione che ci si aspetta senza considerare le proprietà del vuoto.
Ma la meccanica quantistica ci insegna che lo spazio vuoto non è proprio così vuoto come il termine può ingannevolmente far credere. Lo spazio vuoto infatti contiene particelle virtuali dalla vita brevissima che però realizzano effetti fisici molto concreti. Secondo il principio di indeterminazione tutte le particelle elementari del modello Standard possono comportarsi come particelle virtuali. Pertanto è possibile che per un tempo brevissimo l’incertezza nell’energia di una particella sia così elevata che dallo spazio vuoto emerga una particella.
Dopo oltre 10 anni di lavoro il Fermilab ha annunciato una misurazione dell’oscillazione del muone con un’incertezza inferiore a mezza parte per milione. Questa straordinaria precisione è in accordo con i valori del precedente esperimento g-2 “E821”. Per confermare questi dati non soltanto saranno necessarie ulteriori rilevazioni sperimentali ma anche una maggiore comprensione di cosa prevedono effettivamente le attuali teorie.
In ballo c’è se non una nuova fisica, sicuramente il disvelamento di alcuni misteri, come ad esempio la materia oscura, che fino ad oggi sembrano insormontabili.
Fonti:
alcune voci di Wikipedia
Le Scienze, dicembre 2021, ed. cartacea
