Gli scienziati stanno mettendo alla prova la nostra comprensione fondamentale dell'universo, e c'è ancora molto da scoprire.

Cos'hanno in comune i touch screen, la radioterapia e le pellicole termoretraibili? Sono stati tutti resi possibili dalla ricerca sulla fisica delle particelle. Le scoperte su come funziona l'universo alla scala più piccola spesso portano a enormi progressi nella tecnologia che usiamo ogni giorno.

Gli scienziati dell'Argonne National Laboratory e del Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), insieme a collaboratori di altre 46 istituzioni e sette paesi, stanno conducendo un esperimento per mettere alla prova la nostra attuale comprensione dell'universo. Il primo risultato indica l'esistenza di particelle o forze non ancora scoperte. Questa nuova fisica potrebbe aiutare a spiegare misteri scientifici di lunga data, e la nuova intuizione si aggiunge a un deposito di informazioni a cui gli scienziati possono attingere quando modellano il nostro universo e sviluppano nuove tecnologie.

L'esperimento, Muon g-2 (pronunciato Muon g meno 2), segue quello iniziato negli anni '90 al DOE Brookhaven National Laboratory, in cui gli scienziati hanno misurato una proprietà magnetica di una particella fondamentale chiamata muone.

L'esperimento di Brookhaven ha dato un risultato che differiva dal valore previsto dal Modello Standard, la migliore descrizione degli scienziati della composizione e del comportamento dell'universo. Il nuovo esperimento è una ricreazione di quello di Brookhaven, costruito per sfidare o affermare la discrepanza con maggiore precisione.

Il Modello Standard predice molto precisamente il fattore g del muone, un valore che dice agli scienziati come si comporta questa particella in un campo magnetico. Questo fattore g è noto per essere vicino al valore due, e gli esperimenti misurano la loro deviazione da due, da cui il nome Muon g-2.

L'esperimento a Brookhaven ha indicato che g-2 differiva dalla previsione teorica di poche parti per milione. Questa minuscola differenza suggeriva l'esistenza di interazioni sconosciute tra il muone e il campo magnetico - interazioni che potrebbero coinvolgere nuove particelle o forze.

Il primo risultato del nuovo esperimento concorda fortemente con quello di Brookhaven, rafforzando la prova che c'è nuova fisica da scoprire. I risultati combinati di Fermilab e Brookhaven mostrano una differenza dal Modello Standard con una significatività di 4,2 sigma (o deviazioni standard), un po' meno dei 5 sigma che gli scienziati richiedono per rivendicare una scoperta, ma comunque prove convincenti di nuova fisica. La possibilità che i risultati siano una fluttuazione statistica è di circa 1 su 40.000.

Le particelle oltre il Modello Standard potrebbero aiutare a spiegare fenomeni sconcertanti nella fisica, come la natura della materia oscura, una sostanza misteriosa e pervasiva che i fisici sanno che esiste ma che devono ancora rilevare.

"Questo è un risultato incredibilmente eccitante", ha detto Ran Hong di Argonne, un post-dottorato che ha lavorato all'esperimento Muon g-2 per oltre quattro anni. "Questi risultati potrebbero avere importanti implicazioni per i futuri esperimenti di fisica delle particelle e potrebbero portare a una maggiore comprensione di come funziona l'universo".

Il team di scienziati di Argonne ha contribuito significativamente al successo dell'esperimento. Il team originale, assemblato e guidato dal fisico Peter Winter, includeva Hong e Simon Corrodi di Argonne, così come Suvarna Ramachandran e Joe Grange, che da allora hanno lasciato Argonne.

"Questo team ha un impressionante e unico set di abilità con un'alta competenza per quanto riguarda l'hardware, la pianificazione operativa e l'analisi dei dati", ha detto Winter, che guida i contributi di Muon g-2 da Argonne. "Hanno dato contributi vitali all'esperimento, e non avremmo potuto ottenere questi risultati senza il loro lavoro".

Per ricavare il vero g-2 del muone, gli scienziati del Fermilab producono fasci di muoni che viaggiano in cerchio attraverso un grande anello cavo in presenza di un forte campo magnetico. Questo campo mantiene i muoni nell'anello e fa ruotare la direzione dello spin di un muone. La rotazione, che gli scienziati chiamano precessione, è simile alla rotazione dell'asse terrestre, solo molto, molto più veloce.

Per calcolare g-2 con la precisione desiderata, gli scienziati hanno bisogno di misurare due valori con molta certezza. Uno è il tasso di precessione dello spin del muone mentre attraversa l'anello. L'altro è la forza del campo magnetico che circonda il muone, che influenza la sua precessione. È qui che entra in gioco Argonne.

Il futuro degli esperimenti sui muoni

La prima cosa che gli scienziati intendono fare è ricontrollare i risultati.

"Finora, la precisione della misura dell'ultimo g-2 è paragonabile a quella dell'esperimento di Brookhaven, ma questo è dominato dal fatto che i dati sono limitati finora", ha detto Corrodi. "Abbiamo analizzato solo il 6% dei dati che prevediamo di prendere durante l'intero esperimento. Quei dati aggiunti ridurranno significativamente l'incertezza".

Il primo risultato è anche incoraggiante per gli scienziati che conducono altri esperimenti muonici presenti e pianificati, incluso un futuro esperimento g-2 che sarà condotto in Giappone, e il prossimo esperimento muonico al Fermilab - l'esperimento Mu2e. Questi progetti stanno già utilizzando la Solenoid Facility di Argonne per calibrare le loro sonde di campo magnetico con quelle usate al Fermilab.

"Ci potrebbe essere un rinnovato sforzo per cercare muoni al Large Hadron Collider, cercando possibili indizi della nuova fisica dietro il valore g-2", ha detto Carlos Wagner, un fisico teorico nell'HEP di Argonne, che lavora per cercare di spiegare questi fenomeni. "Potrebbe anche esserci un rinnovato interesse per la costruzione di un collisore di muoni, che potrebbe fornire un modo diretto di verificare questa nuova fisica".

Una volta che gli scienziati riescono a gestire questa nuova fisica, potrebbe essere in grado di informare i modelli cosmologici e di meccanica quantistica, o anche aiutare gli scienziati a inventare nuove tecnologie lungo la strada - il prossimo involucro termoretraibile, forse.