Crepa nel Modello Standard

È una cosa che si subodora da vent’anni, ma solo ora c’è un’evidenza molto forte di questo segno di crisi del Modello Standard. Dopo una considerazione introduttiva, riporto il testo integrale dell’annuncio comparso il 7 aprile 2021 sul sito web del Fermilab.

Una premessa: cos’è il Modello Standard?

Il Modello Standard è una teoria di campo che spiega com’è il mondo dal punto di vista microscopico per quanto riguarda le forze fondamentali elettromagnetica, nucleare forte e nucleare debole. La forza gravitazionale non è descritta nel Modello Standard. Esso cataloga in una tabella tutte le particelle fondamentali per tipo (materia – fermioni – o interazione – bosoni) e per famiglia (quark o leptoni). Tuttavia non è solo una semplice tabella quanto un’articolata teoria di campo quantistica che si integra con la Relatività Speciale. Tutto quello che accade in questo reame, da come l’occhio percepisce i colori al bosone di Higgs, è descritto con precisione incredibile da questa teoria.

Ma nella storia ci sono molti esempi di teorie che prevedono tutto ma per le quali arriva un giorno in cui si osserva qualcosa di insapettato.

Buttare via tutto? No, la Fisica è come il maiale, non si butta via niente: c’è solo una classe di fenomeni che per essere spiegata ha bisogno di un’ampliamento della teoria. E generalmente questa nuova teoria getta una luce nuova sul cosmo e ne aumenta la leggibilità e la profondità di interpretazione. Per questo si parla di una Nuova Fisica. Perché ogni volta da una crepa è nata una nuova fisica.

Dall’impossibilità di mettere d’accordo Elettromagnetismo ed il funzionamento del corpo nero è nata la Meccanica Quantistica.

Dall’impossibilità di mettere d’accordo Elettromagnetismo e Meccanica è nata la Teoria Speciale della Relatività.

Dal fatto che la precessione di Mercurio non risultasse così accurata dalle equazioni della Meccanica per un errore di 43″ in un secolo… Be’ qui potete dire: ma che errore è una rotazione 43″ in un secolo? è pedanteria! No! Non lo è. La previsione della teoria e il valore che esce dalla misura possono differire al massimo all’interno dell’incertezza della misura: se la differenza è maggiore c’è qualcosa che non va nella teoria. Ecco… 43″ al secolo era un errore piccolo ma non trascurabile perché più grande dell’errore dello strumento, quindi la Meccanica non spiegava del tutto il fenomeno della precessione più lenta. Qui la Teoria Generale della Relatività invece spiegò benissimo anche quella differenza. A differenza dei casi precedenti la crepa da cui irruppe la Teoria della Reatività Generale non furono quei 43″ d’arco, bensì stavolta la Teoria arrivò da sola a spiegarlo, essendosi evoluta autonomamente nella testa di Albert Einstein.

È curioso che una crepa in una teoria per venga fuori per un fenomeno analogo: la precessione! Anche nel caso del Fermilab c’è una frequenza nella precessione che non torna con quento è previsto dai modelli matematici: i muoni precedono ad una frequenza più alta (dondolano più velocemente) di quella prevista dal Modello Standard.

Come vedrete anche qui la differenza è piccolissima, ma non è trascurabile, perché lo strumento consente una precisione più grande di quell’errore. Nell’articolo non ho toccato la forma, ho solo convertito le unità di misura usate nelle unità del Sistema Internazionale.

Il post integrale sul sito del Fermilab

I risultati, attesi per molto tempo, dell’esperimento Muon g-2 [leggi “g meno 2”] presso il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti al Fermi National Accelerator Laboratory [Fermilab] mostra particelle fondamentali chiamate muoni che si comportano in un modo non previsto dalla migliore teoria quantistica elaborata dali sceinziati, il Modello Standard della Fisica delle Particelle. Questo risultato di forntiera, svolto con una precisione senza precedenti, conferma una discrepanza su cui i ricercatori stanno rosicando da decenni .

La forte evidenza che i muoni deviano dai calcoli del Modello Standard potrebbe suggerire un’eccitante nuova fisica. I muoni funzionano come una finestra sul mondo subatomico e potrebbero interagire con particelle o forze ancora sconosciute.

“Oggi è un giorno straordinario, atteso a lungo non solo da noi ma da tutta la comunità internazionale di fisici,” ha detto Graziano Venanzoni, co-portavoce dell’esperimento Muon g-2 e fisico dell’Istituto italiano di Fisica Nucleare (INFN). “un grande ringraziamento va ai nostri giovani ricercatori che, con il loro talento, le loro idee e il loro entusiasmo, ci hanno permesso di raggiungere questo incredibile risultato”.

Il muone ha una massa circa 200 volte più grande di quella del suo cugino, l’elettrone. I muoni si trovano in modo naturale nei raggi cosmici che attraversano l’atmosfera terrestre, e gli acceleratori di particelle del Fermilab li possono produrre in grandi quantità. Come gli elettroni, i muoni si comporano come se avessero al loro interno un piccolo magnete. In un campo magnetico intenso, la direzione del muone si muove in precessione, ossia dondola in modo molto simile ad una trottola, o a un giroscopio. L’intensità del magnete interno determina la velocità dell’oscillazione del muone immerso nel campo magnetico esterno ed è descritta con un numero che i fisici chiamano g-factor. Questo numero può essere calcolato con una precisione molto grande.

Mentre i muoni circolano nel magnete del Muon g-2, essi interagiscono anche con una schiuma quantistica di particelle subatomiche che vengono all’esistenza e scompaiono in continuazione. Le interazioni con queste particelle dalla vita estremamente breve altera il valore del fattore g, causando alla velocità della precessione aumenti e diminuzioni molto piccoli. Il modello standard prevede questo cosiddetto momento magnetico anomalo in modo molto preciso. Ma se la schiuma quantistica contenesse forze addizionali o particelle non prese in considerazione dal Modello Standard, questo modificherebbe in modo ancor più sensibile il valore del fattore g del muone.

“Questa quantità che misuriamo riflette le interazioni del muone con il resto dell’universo. Ma quando i teorici calcolano la stessa quantità, usando tutte le forze conosciute e le particelle del Modello Standard non otteniamo la stessa risposta,” dice Renee Fatemi, una fisica dell’Università del Kentucky e responsabile delle simulazioni per l’esperimento Muon g-2. “Questa è una forte evidenza che il muone è sensibile a qualcosa che la nostra migliore teoria non considera”.

Il precedente esperimento effettuato al Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti presso il Brookhaven National Laboratory, che si concluse nel 2001, suggerì evidenze sulla deviazione del comportamento del muone rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. Le nuove misure dal Muon g-2 del Fermilab concordano fortemente con il valore trovato al Brookhaven e deviano dalla teoria con le misure più precise mai eseguite fino ad ora.

L’esperimento Muon g-2 invia un fascio di muoni nell’anello di stoccaggio, nel quale compiono migliaia di giri ad una velocità prossima a quella della luce. I rivelatori che rivestono l’anello permettono agli scienziati di determinare a quanto ammonti la precessione dei muoni.

Nel suo primo anno di funzionamento, nel 2018, l’esperimento del Fermilab ha raccolto più dati di tutti i dati insieme usciti dagli esperimenti sul fattore g del muone fatti fino a quel momento. Con più di 200 scienziati da 35 istituzioni di sette nazioni, la collaborazione Muon g-2 ha ora terminato l’analisi del moto di più di 8 miliardi di muoni dal primo lancio dell’esperimento.

“Dopo i 20 anni trascorsi dalla fine dell’esperimento di Brookhaven, è così gratificante poter finalmente risolvere questo mistero”, ha detto lo scienziato del Fermilab Chris Polly, co-portavoce dell’attuale esperimento e che era lo studente principale che si è laureato sull’esperimento di Brookhaven.

L’analisi dei dati sulla seconda e terza esecuzione dell’esperimento è in corso, la quarta esecuzione è in corso ed è prevista una quinta esecuzione. La combinazione dei risultati di tutte e cinque le analisi darà agli scienziati una misurazione ancora più precisa dell’oscillazione del muone, rivelando con maggiore certezza se la nuova fisica si nasconde all’interno della schiuma quantistica.

“Finora abbiamo analizzato meno del 6% dei dati che alla fine l’esperimento raccoglierà. Anche se questi primi risultati ci dicono che c’è una differenza interessante con il modello standard, impareremo molto di più nei prossimi due anni “, ha detto Polly.

I valori teorici accettati per il muone sono
g-factor: 2,00233183620(86)
momento magnetico anomalo: 0,00116591810(43)
(l’incertezza è tra parentesi)

I nuovi valori medi sperimentali annunciati oggi [7 aprile 2021] dalla collaborazione Muon g-2 sono:
g-factor: 2.00233184122(82)
momento magnetico anomalo: 0.00116592061(41)

I risultati combinati dal Fermilab e Brookhaven mostrano una differenza con la teoria di una significatività di 4,2 sigma, un 5-sigma “timido” [1 sigma = 1 deviazione standard] che gli scienziati richiedono per annunciare una scoperta, ma una forte indicazione dell’evidenza di una nuova fisica. La probabilità che i risultati siano solo una fluttuazione statistica è di 1 su 40.000.

L’esperimento del Fermilab riutilizza il componente principale dell’esperimento di Brookhaven, un anello superconduttore magnetico di circa 15 metri di diametro. Nel 2013 fu trasportato per più di 5000 km via terra e via mare da Long Island alla periferia di Chicago, dove gli scienziati hanno potuto trarre vantaggio dall’acceleratore di particelle del Fermilab e produrre il fascio di muoni più intenso degli Stati Uniti. Nei successivi quattro anni, i ricercatori hanno assemblato l’esperimento, messo a punto e calibrato un campo magnetico incredibilmente uniforme; sviluppato nuove tecniche, strumenti e testato a fondo l’intero sistema.

Fonte

• Fermilab
• Autore: Tracy Marc, Fermilab, media@fnal.gov