Una nuova e ancora più precisa misura di una particolare proprietà magnetica del muone, il cosiddetto momento magnetico anomalo (indicato con la lettera g), è stata presentata il 10 agosto, nel corso di un seminario, dalla Collaborazione scientifica dell’esperimento Muon g-2 del Fermi National Accelerator Laboratory (FermiLab) di Batavia, vicino Chicago, Stati Uniti. La nuova misura di g, la più precisa ad oggi realizzata, rafforza e migliora di un fattore due la misura pubblicata nell’aprile 2021 dalla stessa Collaborazione, e pone in modo sempre più stringente previsioni teoriche e misure sperimentali davanti alla resa dei conti. Il lavoro viene presentato in dettaglio in un articolo sottomesso per la pubblicazione a Physical Review Letters dalla Collaborazione Muon g-2, di cui l’INFN è uno dei principali membri fin dagli inizi.
“Con questo aggiornamento della nostra misura stiamo davvero sondando un nuovo territorio e stiamo determinando il momento magnetico del muone con una precisione migliore di quanto non sia mai stato realizzato prima”, sottolinea Graziano Venanzoni, professore all’Università di Liverpool e ricercatore associato all'INFN, co-coordinatore internazionale della Collaborazione Muon g-2. “Questa misura – prosegue Venanzoni – ci porta oltre le precedenti sensibilità e conferma la tensione con la previsione teorica del 2020”. “Nei prossimi anni la Collaborazione Muon g-2 lavorerà per integrare nell’analisi tutti i dati raccolti nei sei anni di attività dell’esperimento, il valore che otterremo dovrà allora essere confrontato con il valore previsto dalla teoria, che è anch’esso in via di perfezionamento”.
Il funzionamento dell’universo al suo livello più fondamentale è descritto da una teoria nota come Modello Standard delle particelle elementari: facendo previsioni basate su questa teoria e confrontandole con i risultati sperimentali, è possibile verificare la sua completezza o se vi siano margini per scoprire una nuova fisica oltre il Modello Standard.
I muoni, particelle elementari previste dal Modello Standard, simili agli elettroni ma circa 200 volte più massicce, hanno, come gli stessi elettroni, un minuscolo magnete interno che, in presenza di un campo magnetico, precede od oscilla come l’asse di una trottola. La velocità di precessione, in un dato campo magnetico, dipende proprio dal valore del momento magnetico g. La teoria del Modello Standard prevede con grande precisione il valore di g, che dovrebbe essere leggermente diverso da 2.
Il nuovo risultato sperimentale di Muon g-2, basato sui dati raccolti nei primi tre anni di attività sperimentale, è g-2 = 0,00233184110 ± 0,00000000043 (incertezza statistica) ± 0,00000000019 (incertezza sistematica), che corrisponde a una precisione di 0,20 parti per milione.
Tra previsione teorica e dati sperimentali. Questo risultato è in tensione con la previsione teorica che era stata presentata nel 2020 dalla Muon g-2 Theory Initiative, un progetto fondato per mettere assieme la comunità mondiale della fisica teorica e sperimentale che lavora alla determinazione dell’anomalia magnetica del muone con l’obiettivo di ricavare nell’ambito del Modello Standard un unico valore teorico condiviso che potesse essere messo a confronto con il valore ricavato dai dati sperimentali. Alla luce delle nuove misure sperimentali che alimentano i calcoli delle previsioni teoriche, e di un nuovo calcolo basato su un diverso approccio teorico – la teoria del reticolo di gauge – sono in tensione con il calcolo del 2020, gli scienziati della Muon g-2 Theory Initiative stanno lavorando per affinare la loro previsione, con l’obiettivo di fornirne, entro i prossimi due anni, una migliorata, che tenga conto anche di entrambi gli approcci teorici.
La differenza di g da 2 (ossia g-2) può essere attribuita alle interazioni del muone con le particelle in una “schiuma” quantistica che lo circonda. Queste particelle “fluttuano” in continuazione tra lo stato di esistenza e non esistenza, cambiando così il modo in cui il muone interagisce con il campo magnetico. Il calcolo del valore di g-2 è molto impegnativo. Il Modello Standard prevede come cambia g in questa schiuma quantistica, in considerazione di tutte le forze e le particelle note: i calcoli teorici considerano forze elettromagnetiche, nucleari deboli e nucleari forti, fotoni, elettroni, quark, gluoni, neutrini, bosoni W e Z e bosone di Higgs. Se il Modello Standard è corretto e se il calcolo di g-2 sulla base del Modello Standard lo è altrettanto, allora a questa previsione deve corrispondere la misura sperimentale. Il fatto che il valore di g misurato sperimentalmente si discosti da quello previsto teoricamente potrebbe perciò essere indicazione dell’esistenza di particelle non ancora note che, appunto, contribuiscono a determinare il valore di g-2.
La misura più accurata di sempre.
Questa nuova misura sperimentale di g-2 è stata migliorata non solo grazie a un insieme di dati più ampio (sono stati considerati due anni di dati in più rispetto al risultato del 2021), ma anche dagli aggiornamenti tecnici apportati all’esperimento. “Abbiamo migliorato molti dettagli sperimentali tra il primo anno di acquisizione dati e il secondo e terzo anno – spiega Marco Incagli, ricercatore responsabile nazionale per l’INFN di Muon g-2 – e abbiamo così raggiunto l’obiettivo di ridurre l'incertezza causata da eventuali imperfezioni sperimentali, ossia quella nota come incertezza sistematica”.
La presa dati si è conclusa il 9 luglio 2023, quando la collaborazione ha spento il fascio di muoni che alimentava l’esperimento, concludendo così l’attività scientifica di Muon g-2 dopo sei anni di raccolta dati, e dopo aver raggiunto l’obiettivo di raccogliere un insieme di dati di oltre 21 volte maggiore rispetto a quello raccolto dal precedente esperimento condotto nel laboratorio di Brookhaven. Ma, mentre l'incertezza sistematica totale ha già superato l’obiettivo di progettazione, l’aspetto più ampio che contribuisce all’incertezza, ossia l’incertezza statistica (determinata dalla quantità di dati analizzati), sarà migliorata solo una volta incorporati nell’analisi tutti i dati prodotti e raccolti nei sei anni di attività, un obiettivo che la Collaborazione Muon g-2 mira a completare nei prossimi due anni. Entro i prossimi due anni, dunque, dati sperimentali e previsioni teoriche dovranno giungere alla resa dei conti.
Come funziona l’esperimento. I muoni, che sono generati naturalmente nell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, possono essere prodotti in gran numero dall’acceleratore del Fermilab e iniettati all’interno dell’anello di accumulazione magnetico di Muon g-2, del diametro di 15 metri, dove vengono fatti circolare migliaia di volte con velocità prossima a quella della luce. Come gli elettroni, anche i muoni sono dotati di spin e possiedono un momento magnetico, ovvero producono un campo magnetico del tutto analogo a quello di un ago di bussola. All’interno dell’anello di Muon g-2, il momento magnetico dei muoni acquista un moto di precessione attorno alla direzione del campo magnetico, analogo a quello di una trottola in rotazione. L’esperimento misura con altissima precisione la frequenza di questo moto di precessione dei muoni. Il Modello Standard prevede che per ogni particella il valore del momento magnetico sia proporzionale a un certo numero, detto ‘fattore giromagnetico g’, e che il suo valore sia leggermente diverso da 2, da qui il nome ‘g-2’ o ‘anomalia giromagnetica’ dato a questo tipo di misura. 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.
Il muone essendo instabile, decade in elettrone, neutrino ed antineutrino. L’elettrone viene emesso preferenzialmente lungo la direzione dello spin del muone. L’esperimento Muon g-2 misura dunque gli elettroni di decadimento e da questi estrae il profilo di rotazione dello spin. I 24 calorimetri dell’esperimento, posizionati regolarmente lungo l’anello di accumulazione, misurano energia e tempo di arrivo degli elettroni. Poiché la frequenza di arrivo degli elettroni varia da molti milioni fino a poche centinaia al secondo, è necessaria una calibrazione continua dei calorimetri.
Il contributo italiano e del gruppo INFN Napoli.
Il principale contributo del gruppo italiano, oltre alla partecipazione all’analisi dei dati, consiste nella progettazione e realizzazione di un sofisticato sistema di calibrazione basato su impulsi laser, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ottica (INO-CNR). Grazie a questo sistema, al momento tra i più accurati nell’ambito della ricerca in fisica delle particelle, i 1296 sensori dei 24 calorimetri sono accuratamente calibrati in modo da essere stabili sia nei tempi brevissimi delle singole rivelazioni (nanosecondi), sia nel tempo in cui i muoni circolano nel magnete (millisecondi), sia nel corso dell’intero run di presa dati (molti mesi). Il gruppo di ricercatori della sezione INFN di Napoli guidato dal Michele Iacovacci, professore all'Università Federico II di Napoli, ha contribuito fin dall’inizio alla collaborazione Muon g-2 con la realizzazione dell’elettronica di controllo dei laser e del monitor della stabilità degli impulsi di calibrazione in grado di apprezzare piccolissime variazioni, fino a 1 parte su 10000, dei segnali. Il progetto dell’elettronica è stato sviluppato grazie al Servizio Elettronica e Rivelatori della sezione INFN di Napoli, specificamente con l’importante contributo di Paolo di Meo dell’INFN di Napoli. La realizzazione dell’elettronica di gestione dei laser e del sistema di acquisizione dati (DAQ) di calibrazione è stata coordinata da Stefano Mastroianni, ricercatore della sezione INFN di Napoli e responsabile del DAQ dell’esperimento Muon g-2.
La Collaborazione scientifica internazionale Muon g-2.
comprende quasi 200 scienziati e scienziate provenienti da 34 istituzioni in sette paesi. L’esperimento Muon g-2 è supportato dal Department of Energy (USA), dalla National Science Foundation (USA), dall’INFN Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Italy), dallo Science and Technology Facilities Council (UK), dalla Royal Society (UK), dal programma europeo Horizon 2020, dalla National Natural Science Foundation of China, da MSIP, NRF e IBS-R017-D1 (Repubblica della Corea) e dalla German Research Foundation (DFG).
Per approfondire
- Precisamente anomalo, La misura del momento magnetico del muone, di Luca Trentadue in Asimmetrie 23 - Muone
- Una vita da mediano, Storia della più elegante, eclettica e robusta tra le particelle, di Filippo Ceradini in Asimmetrie 23 - Muone
- Un mare di antimateria, L’equazione di Dirac, dalla meccanica quantistica al modello standard, di Graziano Venanzoni in Asimmetrie 19 - Equazioni
