La collaborazione dell’esperimento Muon g-2 a Fermilab (Chicago) ha appena pubblicato una misura del momento magnetico anomalo del muone con una precisione senza precedenti: 460 parti per miliardo, che è equivalente a misurare la lunghezza di un campo da calcio con un’incertezza dello spessore di un capello!

Questa nuova misura, in accordo con quanto già misurato tra il 1999 e il 2001 al Brookhaven National Laboratory (BNL), vicino New York, fornisce una ulteriore prova a favore dell’esistenza di fenomeni fisici non descritti dal Modello Standard, la migliore teoria fisica attualmente disponibile per descrivere il mondo subatomico. La presente misura raggiunge una significatività statistica di 3.3 sigma, e la combinazione con il risultato del precedente esperimento porta la significatività della discrepanza a 4.2 sigma, molto vicino alle 5 sigma considerate convenzionalmente la soglia per poter annunciare una scoperta. Questo risultato rappresenta un importante indizio della presenza di forze o particelle ancora sconosciute.

I muoni sono particelle elementari appartenenti alla famiglia dei leptoni carichi; sono molto simili agli elettroni, ma hanno una massa circa 200 volte maggiore e sono instabili, cioè decadono in particelle più leggere (un elettrone e due neutrini) dopo circa 2 milionesimi di secondo dalla loro produzione. Possono essere prodotti naturalmente nell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre oppure utilizzando un acceleratore di particelle come quello del Fermilab. Una volta prodotti con le caratteristiche necessarie per l’esperimento, vengono introdotti all’interno di un anello di accumulazione: un tubo del diametro di 14 metri a cui è applicato un campo magnetico, all’interno del quale i muoni vengono fatti circolare migliaia di volte con velocità prossima a quella della luce. Un complesso sistema di rivelatori, detti calorimetri, misura accuratamente il tempo e l’energia dei prodotti di decadimento del muone.

I muoni sono dotati di spin e possiedono un momento magnetico la cui intensità determina come queste particelle interagiscono con un campo magnetico esterno. Quando sono immersi in un campo magnetico infatti, lo spin dei muoni acquista un moto di precessione attorno alla direzione del campo stesso, analogo a quello di una trottola quando non è perfettamente verticale. Dalle informazioni dei calorimetri è possibile misurare con altissima precisione la frequenza di questo moto di precessione. Combinando questa misura con una precisa mappa del campo magnetico e con la distribuzione dei muoni all’interno dell’anello si può calcolare il valore del momento magnetico anomalo (g-2).

Il risultato di Muon g-2 evidenzia una differenza tra il valore misurato di “g-2” per i muoni e quello previsto dal Modello Standard, la cui previsione si basa sul calcolo delle interazioni dei muoni con particelle “virtuali” che si formano e si annichilano continuamente nel vuoto che li circonda. La discrepanza tra il risultato sperimentale e il calcolo teorico potrebbe quindi essere dovuta a particelle e interazioni sconosciute di cui il Modello Standard non tiene conto.

Questo risultato, ottenuto grazie al primo set di dati raccolti da Muon g-2 (Run 1), rafforza l’evidenza che possano esistere di fenomeni di nuova fisica non previsti dalla teoria.

Il gruppo INFN della Sezione di Roma Tor Vergata è stato tra i proponenti della partecipazione italiana all’esperimento a partire dal 2013. Ha partecipato a tutte le fasi di montaggio, messa a punto, calibrazione e acquisizione dati dell’esperimento. E’ stato anche protagonista nell’analisi dati per estrarre la frequenza di precessione anomala e di tutte le sistematiche legate ad essa, ingredienti fondamentali per arrivare a questa importante scoperta.

Membri Gruppo g-2 INFN - Roma Tor Vergata: Giuseppe Di Sciacio, Matteo Sorbara, Silvia Miozzi, Giovanni Pasquino, Giovanni Maria Piacentino

Riferimenti:

Misura frequenza di precessione: https://journals.aps.org/prd/abstract/10.1103/PhysRevD.103.072002

Misura finale anomalia: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141801

Sito web dell’esperimento: https://muon-g-2.fnal.gov

Sito del gruppo teorico: https://muon-gm2-theory.illinois.edu