Una misura del muone dura da decenni… e da decenni ci aiuta a comprendere la fisica delle interazioni fondamentali: la lunga storia di Muon g-2.
C’è una misura, in fisica delle particelle, che via via che diventa più accurata assume una nuova importanza: la misura del momento magnetico del muone. Il muone è una particella simile all’elettrone, soltanto 200 volte più pesante. Si produce in diversi decadimenti e grazie alla sua vita media relativamente lunga, due milionesimi di secondo, è la maggiore componente dei raggi cosmici che arrivano al livello del mare. Ogni secondo, un muone attraversa ogni decimetro quadrato di superficie della Terra.
Il primo a proporre la misura del momento magnetico del muone è stato Leon Lederman, fisico americano che nel 1988 avrebbe conseguito il Nobel per la fisica, alla fine degli anni Cinquanta. Lo scopo di quella misura oggi ci sembra davvero lontano nel tempo: capire se il muone fosse un oggetto simile all’elettrone ma più pesante, o qualcosa di completamente nuovo, simile al pione ma con interazioni diverse. La misura del suo momento magnetico avrebbe confermato la natura di “fratello pesante dell’elettrone” nel 1962, quando si raggiunse una precisione dello 0.4% al CERN di Ginevra.
Ma cos’è il momento magnetico? Una particella elementare si comporta come una minuscola calamita: se inserita in un campo magnetico si allinea con un momento (una coppia di forze che lo fa ruotare intorno al suo asse) proporzionale al suo momento magnetico, che è una proprietà intrinseca della particella stessa. Per le particelle elementari di carica unitaria, come l’elettrone e il muone, nelle unità di misura che usano di solito i fisici, questo momento magnetico chiamato g assume il valore di 2, con una piccola correzione che lo rende leggermente più grande.
Questo “leggermente più grande” ha un’importanza fondamentale. Una particella elementare, da sola, dovrebbe avere un momento magnetico esattamente uguale a 2, ma nessuna particella è mai veramente da sola. Nemmeno il vuoto è davvero vuoto, anzi: continuamente si formano e si annichilano coppie particella-antiparticella virtuali, sia nel vuoto che nello spazio intorno alle particelle reali. Quando si parla di particelle virtuali si intendono particelle che non vengono osservate direttamente, ma che interferiscono nella misura fisica che si sta facendo con questa loro fugacissima apparizione. Possono infatti esistere in virtù del principio di indeterminazione, sopravvivendo per un tempo così breve che, moltiplicato per l’energia necessaria a produrle, si ottenga un numero più piccolo della costante di Planck. Possiamo quindi dire che queste coppie di particelle virtuali sono una sorta di “fluttuazione quantistica”, ma nonostante questa loro curiosa natura hanno un effetto misurabile sulle particelle “reali”, cioè quelle che interagiscono nei nostri rivelatori.
Questa piccola correzione a g può essere calcolata con grande precisione e, dopo aver dato il suo contributo alla definizione della natura del muone, ha permesso il consolidamento dell’elettrodinamica quantistica. Questa appunto prevedeva il valore “leggermente più grande di 2” in virtù della presenza delle particelle virtuali e del loro accoppiamento con il muone. Da allora, la misura interessante è diventata g-2 (g meno 2), ovvero quella correzione che avrebbe dovuto confermare la nostra capacità di calcolare l’effetto delle altre particelle presenti nel modello su questa grandezza.
Il premio Nobel per la Fisica Leon Lederman
Dagli anni Ottanta la misura di g-2 si è spostata dal CERN agli Stati Uniti, a Brookhaven. Le misure si sono susseguite per alcuni anni, mostrando sempre un ottimo accordo con le previsioni dei fisici teorici, finché a cavallo del 2000 non è arrivato un risultato inatteso. La precisione è oggi migliore di una parte per milione, e anche i calcoli possono raggiungere questa precisione e si può fare un confronto: questo si fa su base statistica, perché le sorgenti di errore, sia nella misura che nei parametri del calcolo, sono molti, per cui non possiamo dire se le misure siano “giuste”, ma se siano “compatibili”, ovvero quale sia la probabilità che “per caso” abbiano risultati così lontani se rappresentano la stessa cosa. I fisici esprimono questo concetto in deviazioni standard, o sigma. 1 sigma non vuol dire molto, 3 sigma vogliono dire che ci sono poche probabilità su 1000 che le due grandezze coincidano, 5 sigma sono una scoperta. Gli ultimi risultati danno una discrepanza di 3.7 sigma, grande, ma non sufficiente a saltare sul tavolo e dire che c’è qualcosa che non va nel modello standard.
Il pallino passa ora a Fermi National Laboratory, dove è stato traslocato l’apparato sperimentale di Brookhaven e dove si sta lavorando per migliorarne le prestazioni fino a un fattore 4 nella risoluzione. Se i valori saranno confermati, grazie a questa riduzione dell’errore avremo una significatività statistica di ben 7 sigma e quindi dovremmo essere sicuri che alla nostra teoria manca qualcosa. Questo non ci fa paura, anzi: il Modello Standard delle particelle elementari funziona benissimo, ci consente di fare previsioni eccezionalmente precise su un numero enorme di grandezze, ma sappiamo che ci sono cose che ancora non contempla. Il problema è che non abbiamo ancora trovato niente che non sia spiegabile con quello che ci dice il modello, quindi non sappiamo dove andare a cercare questa “nuova fisica”: è possibile che questa indicazione ci venga proprio da un esperimento iniziato cinquant’anni fa? Speriamo di scoprirlo presto…
Immagine di copertina: l’arrivo del magnete di Muon g-2 a Fermilab (immagine di Wikimedia Commons)