L’apparente anomalia del MUONE era probabilmente un errore di calcolo

I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Nature , descrivendo uno dei calcoli di fisica delle particelle più precisi mai realizzati. Il loro lavoro dimostra che la discrepanza a lungo dibattuta tra teoria ed esperimento era probabilmente dovuta a limitazioni nei calcoli precedenti, piuttosto che alla presenza di fenomeni fisici sconosciuti.

Decenni di speranze per una “nuova fisica”

Il mistero verteva sul muone, una particella dalla vita breve che assomiglia a un elettrone ma è circa 200 volte più pesante. Per oltre 60 anni, le misurazioni del comportamento magnetico del muone sembravano in disaccordo con le previsioni del Modello Standard, il modello che gli scienziati utilizzano per descrivere le particelle e le forze fondamentali dell’universo.

Tale discrepanza entusiasmò i fisici perché lasciava intendere la possibilità dell’esistenza di particelle ancora sconosciute o addirittura di una nuova “quinta forza” oltre le quattro forze fondamentali già note.

“Negli ultimi 60 anni circa sono stati effettuati molti calcoli, e man mano che diventavano sempre più precisi, tutti indicavano una discrepanza e una nuova interazione che avrebbe stravolto le leggi conosciute della fisica”, ha affermato Zoltan Fodor, illustre professore di fisica alla Penn State e autore principale dello studio. “Abbiamo applicato un nuovo metodo per calcolare questa quantità di discrepanza e abbiamo dimostrato che non esiste. Questa nuova interazione che speravamo di trovare semplicemente non c’è. Le vecchie interazioni possono spiegare completamente il valore.”

Il team ha impiegato più di un decennio per perfezionare il calcolo. Il risultato finale ha portato le previsioni teoriche e le misurazioni sperimentali a concordare entro meno di mezza deviazione standard. Secondo Fodor, il nuovo lavoro conferma il Modello Standard con 11 cifre decimali e riduce significativamente le probabilità che in questa particolare misurazione si nasconda qualche fenomeno fisico sconosciuto.

“La gente mi chiede come ci si sente a fare questa scoperta e, a essere sincero, provo un po’ di tristezza”, ha detto Fodor. “Quando abbiamo iniziato a calcolare questa quantità, pensavamo di ottenere un calcolo valido e affidabile per una nuova quinta forza. Invece, abbiamo scoperto che non esiste una quinta forza. Abbiamo però trovato una dimostrazione molto precisa non solo del Modello Standard, ma anche della teoria quantistica dei campi, che è il fondamento su cui si basa il Modello Standard.”

Lo strano comportamento magnetico del muone

La ricerca si è concentrata su una proprietà nota come momento magnetico del muone, che descrive quanto fortemente la particella si comporti come un minuscolo magnete. La teoria quantistica prevede che il valore debba essere esattamente pari a due, rappresentando la relazione tra l’oscillazione della particella e il campo magnetico che la circonda.

Negli esperimenti reali, tuttavia, il valore varia leggermente perché altre particelle appaiono e scompaiono brevemente nello spazio vuoto, influenzando in modo sottile il comportamento del muone. Questa piccola deviazione è nota come “momento magnetico anomalo”, o g−2.

Poiché i muoni sono molto più pesanti degli elettroni, sono particolarmente sensibili a questi fugaci effetti quantistici. Tale sensibilità ha reso il g−2 del muone una delle misurazioni più studiate nella fisica moderna.

Gli esperimenti condotti al CERN negli anni ’60 e ’70, successivamente al Brookhaven National Laboratory e più recentemente al Fermi National Accelerator Laboratory, hanno tutti misurato il momento magnetico del muone con una precisione straordinaria. Questi esperimenti si sono recentemente aggiudicati il ​​Breakthrough Prize in Fundamental Physics, uno dei premi scientifici più prestigiosi al mondo.

Per anni, le misurazioni sperimentali hanno continuato a sembrare incoerenti con le previsioni del Modello Standard, rafforzando la speranza che qualcosa di completamente nuovo potesse influenzare il muone.

Perché la Forza Forte ha reso il problema così difficile

La difficoltà nel calcolare il comportamento del muone derivava in gran parte dalla forza forte, la più potente delle quattro forze fondamentali conosciute. La forza forte tiene uniti i quark all’interno di protoni, neutroni e altre particelle.

A differenza della gravità o dell’elettromagnetismo, la forza forte diventa più intensa man mano che le particelle si allontanano, in modo simile a un elastico che si tende sempre di più quando viene tirato. Il tentativo di separare particelle connesse dalla forza forte richiede così tanta energia che durante il processo possono formarsi particelle completamente nuove. Queste particelle aggiuntive complicano ulteriormente i calcoli.

A causa di questa estrema complessità, prevedere con precisione il comportamento del muone all’interno del Modello Standard è rimasto uno dei problemi più difficili della fisica delle particelle.

Supercomputer e cromodinamica quantistica su reticolo

Per affrontare il problema, i ricercatori si sono affidati alla cromodinamica quantistica su reticolo, una tecnica computazionale che simula la forza forte utilizzando supercomputer di enorme potenza. Il metodo divide lo spazio e il tempo in una griglia estremamente fine, o reticolo, consentendo agli scienziati di risolvere numericamente le equazioni che governano le interazioni tra le particelle.

“La vecchia metodologia prevedeva la raccolta di migliaia di risultati sperimentali e la loro reinterpretazione per ottenere un singolo valore, il momento magnetico del muone”, ha affermato Fodor. “Il nostro approccio è stato completamente diverso. Abbiamo diviso lo spaziotempo in celle molto piccole, un reticolo, e poi abbiamo risolto le equazioni del Modello Standard su di esso. Dietro questo calcolo c’era un’enorme quantità di teoria, matematica, programmazione, conoscenze computazionali e architettura dei computer.”

Nel corso dell’ultimo decennio, i calcoli reticolari sono diventati sempre più potenti, ma la precisione necessaria per il calcolo del g−2 del muone è rimasta estremamente difficile da raggiungere. Il team ha quindi combinato diversi approcci.

Hanno utilizzato calcoli reticolari per distanze brevi e medie tra le celle, integrando al contempo misurazioni sperimentali altamente affidabili per distanze maggiori, laddove i dati esistenti mostravano già un forte accordo. Questa strategia ibrida ha ridotto l’incertezza in modo più efficace rispetto all’utilizzo di un solo metodo.

I ricercatori hanno inoltre simulato le equazioni utilizzando reticoli più fini rispetto agli studi precedenti, migliorando ulteriormente la precisione e riducendo i possibili errori.

Il calcolo finale rappresenta la determinazione più accurata finora ottenuta del momento magnetico del muone. Quando viene integrato nella previsione completa del Modello Standard, il disaccordo di lunga data con gli esperimenti scompare sostanzialmente.

“La previsione combina forze elettromagnetiche, deboli e forti, ognuna delle quali richiede strumenti teorici molto diversi, in un unico calcolo accurato fino a parti per miliardo”, ha affermato Fodor. “Dimostra che comprendiamo davvero come funziona la natura a un livello incredibilmente profondo.”

Cosa significa questo risultato per la fisica

Secondo i ricercatori, i risultati non escludono completamente la possibilità di una fisica ancora sconosciuta. Tuttavia, uno degli indizi potenzialmente più forti a sostegno dell’esistenza di fenomeni al di là del Modello Standard è ora diventato molto meno convincente.

Esperimenti futuri potrebbero ancora rivelare l’esistenza di nuove particelle o forze altrove, ma per ora il Modello Standard continua a resistere a un’attenta analisi.

“Non abbiamo scoperto la quinta forza, ma abbiamo ottenuto una dimostrazione davvero ottima e probabilmente la migliore della teoria quantistica, che è la teoria alla base della nostra comprensione delle questioni più fondamentali della natura”, ha affermato Fodor.

La parte della ricerca condotta dalla Penn State è stata finanziata dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dal Consiglio europeo della ricerca.