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Possibili indizi di una nuova fisica nei primi risultati dell’esperimento Muon g-2

Allo studio, condotto al FermiLab di Chicago, partecipano anche ricercatori dell’Università di Pisa

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physics 4524966 1920Una 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, ottenuto al temine della prima campagna di analisi dei dati acquisiti dall’esperimento Muon g-2, è stato annunciato 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, che ospita l’esperimento. 

La collaborazione internazionale di Muon g-2, composta da 200 scienziati provenienti da 35 istituzioni di 7 diversi paesi, ha come co-portavoce Graziano Venanzoni dell’INFN-Pisa e responsabile nazionale Marco Incagli dell’ INFN Pisa. Alla collaborazione partecipano inoltre tre dottorandi dell’Ateneo pisano, Lorenzo Cotrozzi (del primo anno), Paolo Girotti e Elia Bottalico (del secondo anno) che hanno svolto un importante lavoro di analisi dati. Un altro dottorando del secondo anno, Riccardo Nunzio Pilato, lavora a una verifica sperimentale della predizione teorica della misura g-2.
 

I risultati dell’esperimento
I ricercatori sono riusciti 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 in un precedente esperimento condotto al Brookhaven National Laboratory, 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 predecessore porta la significatività della discrepanza a 4,2 sigma, poco meno delle 5 sigma considerate la soglia per poter annunciare una scoperta. Questo risultato fondamentale rappresenta un importante ed entusiasmante indizio della possibile presenza di forze o particelle ancora sconosciute, questione che da decenni alimenta discussioni tra i ricercatori.

“La misura di altissima precisione che abbiamo ottenuto con il nostro esperimento era da lungo tempo attesa da tutta la comunità internazionale della fisica delle particelle."  afferma Graziano Venanzoni, "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"

“L’INFN può ritenersi orgoglioso di questa impresa, avendo svolto un ruolo determinate in tutto l’esperimento" aggiunge Marco Incagli, "un successo in buona parte merito di giovani ricercatori e dottorandi i quali, con il loro talento, idee ed entusiasmo, hanno consentito di ottenere questo primo importante risultato”.


L’esperimento al FermiLab
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. Con il risultato ottenuto grazie al primo set di dati raccolti da Muon g-2 (Run 1), l’esperimento ha quindi compiuto un importante passo verso la conferma dell’esistenza di fenomeni di nuova fisica.

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  • 14 settembre 2021

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