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CovidStat INFN

È un progetto realizzato dal Gruppo di Lavoro CovidStat INFN, la cui costituzione è stata promossa in seno all'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare con l’obiettivo di mettere a disposizione dell’Unità di Crisi Covid19 interna all’INFN una analisi statistica dei dati forniti quotidianamente dalla Protezione Civile sulla diffusione della pandemia in Italia. Tuttavia, si è ritenuto che gli strumenti sviluppati per questa analisi statistica possano essere di utilità anche per altre comunità scientifiche e, più in generale, possano essere di interesse pubblico.

Possibili indizi di nuova fisica nei primi risultati di Muon g-2

g 2

Una nuova e precisa misura delle proprietà magnetiche del muone - particella elementare appartenente alla famiglia dei leptoni, molto simile all’elettrone, ma con una massa circa 200 volte maggiore - fornisce nuova evidenza a favore dell’esistenza di fenomeni fisici non descritti dal Modello Standard, la teoria di riferimento per la spiegazione dei processi subatomici.

L’atteso risultato, basato sull’analisi della prima presa dati (Run1, 2018) dell’esperimento Muon g-2, è stato annunciato oggi, mercoledì 7 Aprile, nel corso di una presentazione svoltasi presso il Fermi National Accelerator Laboratory (FermiLab) di Batavia, vicino Chicago, il centro statunitense per le ricerche in fisica delle particelle. La collaborazione internazionale Muon g-2, di cui l’INFN è uno dei principali membri sin dalla sua nascita, è riuscita a ottenere una misura del cosiddetto momento magnetico anomalo del muone con una precisione senza precedenti, confermando le discrepanze con le previsioni del Modello Standard già evidenziate nel precedente esperimento condotto al Brookhaven National Laboratory (BNL), vicino New York, e conclusosi nel 2001.

La presente misura di Muon g-2 raggiunge una significatività statistica di 3.3 sigma, o deviazioni standard, e la sua combinazione con il risultato dell’esperimento di BNL porta la significatività della discrepanza a 4,2 sigma, poco meno delle 5 sigma necessarie per dichiarare una scoperta.

 “La misura di altissima precisione che abbiamo ottenuto con il nostro esperimento era da lungo tempo aspettata da tutta la comunità internazionale della fisica delle particelle. In attesa dei risultati delle analisi sui vari set di dati acquisiti recentemente dall’esperimento e su quelli che verranno raccolti nel prossimo futuro, ci offre già un possibile spiraglio verso una nuova fisica.”, afferma Graziano Venanzoni co-portavoce dell’esperimento Muon g-2 e ricercatore della Sezione INFN di Pisa. . “L’INFN può ritenersi orgoglioso di questa impresa, avendo svolto un ruolo determinate in tutto l’esperimento. Un successo in buona parte merito dei giovani ricercatori i quali, con il loro talento, idee ed entusiasmo, hanno consentito di ottenere questo primo importante risultato”.

I muoni, che si generano naturalmente nell’interazione dei raggi cosmici con l’atmosfera terrestre, possono essere prodotti in gran numero dal sistema-acceleratore del Fermilab ed iniettati nell’anello di accumulazione di Muon g-2, del diametro di 15 metri, dove vengono fatti circolare migliaia di volte con velocità prossima a quella della luce. Il muone ha una massa che è circa 200 volte quella dell’elettrone. Come l’elettrone, appartiene alla famiglia dei leptoni, e sebbene considerato puntiforme è dotato di una proprietà (lo spin) che lo rende simile ad un piccolo magnete.  

Carica in movimento e magnete ruotano se immersi in campo magnetico. Se il fattore giromagnetico g del muone fosse esattamente 2 ad ogni rotazione del vettore velocità corrisponderebbe un’uguale rotazione (precessione) dello spin, invece lo spin sopravanza ed in particolare, nel  campo magnetico straordinariamente uniforme di 1.45 Tesla dell’esperimento Muon g-2, ruota di circa 12° in più per giro.  Dopo circa 30 giri la velocità e lo spin si riallineano, quindi tutto si ripete. La misura di questa rotazione aggiuntiva dello spin, proporzionale alla cosiddetta anomalia magnetica del muone am =(g-2)/2, costituisce la figura di merito dell’esperimento Muon g-2.

Mentre circolano nell’anello di accumulazione, in cui è praticato il vuoto, i muoni interagiscono con le particelle virtuali che nel vuoto quantistico compaiono e scompaiono continuamente. Le interazioni con queste particelle di brevissima durata influenzano il valore del fattore g, facendo accelerare o rallentare leggermente la precessione dello spin. Il Modello Standard consente di calcolare il momento magnetico del muone in modo estremamente preciso. Tuttavia se il vuoto quantistico contiene forze o particelle nuove, non contemplate nel Modello Standard, ciò comporta correzioni non calcolabili del fattore g del muone e quindi discrepanza tra teoria e misura.

Il muone non è stabile, oltre a neutrino ed antineutrino, il suo decadimento produce un elettrone che 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 all’esperimento, finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, è stato quello di costruire il sistema di calibrazione laser. “ Il sistema”, spiega Michele Iacovacci, professore all'Università Federico II di Napoli, ricercatore dell’INFN di Napoli,  e coordinatore del gruppo napoletano che collabora a Muon g-2,  “utilizza brevi impulsi di luce, della durata di pochi nanosecondi, prodotti da laser ed opportunamente iniettati nei calorimetri durante la presa dati.  Il controllo della stabilità degli impulsi di calibrazione è demandato ad un’elettronica in grado di apprezzare piccolissime variazioni, fino a 1 parte su 10000, dei segnali.” Il progetto dell’elettronica di controllo è stato sviluppato grazie al Servizio Elettronica e Rivelatori della sezione INFN di Napoli, specificamente con il contributo importante 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 attualmente co-responsabile del DAQ dell’esperimento Muon g-2.

Realizzato dal gruppo INFN Italiano di Muon g-2, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, l’innovativo sistema di calibrazione laser ha rappresentato un importante passo avanti rispetto a quelli precedentemente utilizzati ed è stato uno degli ingredienti fondamentali per ottenere il risultato pubblicato oggi su Physical Review Letters . 

"Possiamo essere fieri del contributo che l’INFN ha saputo offrire a questa importante scoperta, sia nella fase di ideazione e costruzione dell'apparato, che ha visto attive le sedi di Napoli, Pisa, Roma Tor Vergata, Trieste, Udine, e dei Laboratori Nazionali di Frascati, sia in quella successiva di analisi, con contributi originali da parte di validissimi giovani ricercatori.” afferma Marco Incagli, della sezione INFN di Pisa, responsabile nazionale di g-2.

La collaborazione Muon g-2 è composta da 200 scienziati provenienti da 35 istituzioni di 7 diversi paesi. La tematica del Muon g-2 è nelle corde dell’Università “Federico II”, la quale ha supportato e finanziato negli anni, assieme a Dipartimento di Fisica e Sezione INFN di Napoli, l’organizzazione del Workshop FCCP “Flavour changing and conserving processes”,  nelle tre edizioni 2015, 2017 e 2019,  presso  il proprio centro congressi di Villa Orlandi, Anacapri - Capri. Il workshop ha costituito un punto di riferimento per la comunità scientifica internazionale, sia sperimentale che teorica, coinvolta nella problematica del Muon g-2.

Fermilab g 2 E989 ring

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