L’esperimento “Ultima speranza” trova prove di particelle sconosciute

L’annuncio tanto atteso di oggi dal team Muon g-2 del Fermilab sembra consolidare un allettante conflitto tra natura e teoria. Ma un calcolo separato, pubblicato contemporaneamente, ha offuscato il quadro.

Il post L’esperimento “Last Hope” Finds Evidence for Unknown Particles è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .

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Vent'anni dopo che un'apparente anomalia nel comportamento delle particelle elementari ha fatto sperare in un importante passo avanti nella fisica, una nuova misurazione le ha consolidate: i fisici del Fermi National Accelerator Laboratory vicino a Chicago hanno annunciato oggi che i muoni – particelle elementari simili agli elettroni – hanno oscillato più del previsto mentre sferza un anello magnetizzato.

La nuova misurazione ampiamente attesa conferma il risultato vecchio di decenni, che ha fatto notizia in tutto il mondo. Entrambe le misurazioni dell'oscillazione del muone, o momento magnetico, superano significativamente la previsione teorica, come calcolato lo scorso anno da un consorzio internazionale di 132 fisici teorici. I ricercatori del Fermilab stimano che la differenza sia cresciuta fino a un livello quantificato come "4.2 sigma", sulla buona strada per il rigoroso livello cinque sigma di cui i fisici hanno bisogno per rivendicare una scoperta.

Presa al valore nominale, la discrepanza suggerisce fortemente che particelle sconosciute della natura stanno dando ai muoni una spinta in più. Una tale scoperta avrebbe finalmente annunciato la rottura del modello standard della fisica delle particelle di 50 anni fa – l'insieme di equazioni che descrivono le particelle elementari conosciute e le interazioni.

“Oggi è un giorno straordinario, tanto atteso non solo da noi ma da tutta la comunità dei fisici internazionali”, ha detto Graziano Venanzoni , uno dei leader dell'esperimento Fermilab Muon g-2 e fisico dell'Istituto Nazionale Italiano di Fisica Nucleare la stampa.

Tuttavia, anche se è probabile che molti fisici delle particelle festeggino – e corrano a proporre nuove idee che potrebbero spiegare la discrepanza – un articolo pubblicato oggi sulla rivista Nature getta la nuova misurazione del muone in una luce drammaticamente più opaca.

Il documento, che è apparso proprio quando il team del Fermilab ha svelato la sua nuova misurazione, suggerisce che l'oscillazione misurata del muone è esattamente ciò che prevede il modello standard.

Nel documento, un team di teorici noti come BMW presenta un calcolo supercomputer all'avanguardia del termine più incerto che entra nella previsione del modello standard del momento magnetico del muone. BMW calcola che questo termine sia considerevolmente più grande del valore adottato lo scorso anno dal consorzio, un gruppo noto come Theory Initiative. Il termine più ampio di BMW porta a un valore previsto complessivo più ampio del momento magnetico del muone, portando la previsione in linea con le misurazioni.

Se il nuovo calcolo è corretto, i fisici potrebbero aver passato 20 anni a inseguire un fantasma. Ma la previsione della Theory Initiative si basava su un diverso approccio di calcolo che è stato affinato nel corso di decenni e potrebbe essere giusto. In tal caso, la nuova misurazione del Fermilab costituisce il risultato più entusiasmante negli ultimi anni nella fisica delle particelle.

"Questa è una situazione molto delicata e interessante", ha detto Zoltan Fodor , un fisico teorico delle particelle presso la Pennsylvania State University che fa parte del team BMW.

Il calcolo stesso della BMW non è una notizia dell'ultima ora; la carta è apparsa per la prima volta come prestampa l'anno scorso. Aida El-Khadra , una teorica delle particelle presso l'Università dell'Illinois che ha co-organizzato la Theory Initiative, ha spiegato che il calcolo BMW dovrebbe essere preso sul serio, ma che non è stato preso in considerazione nella previsione generale della Theory Initiative perché aveva ancora bisogno di essere vagliato. Se altri gruppi verificheranno in modo indipendente il calcolo della BMW, la Theory Initiative lo integrerà nella sua prossima valutazione.

Dominik Stöckinger , un teorico presso l'Università Tecnica di Dresda che ha partecipato alla Theory Initiative ed è un membro del team Fermilab Muon g-2, ha detto che il risultato BMW crea "uno stato poco chiaro". I fisici non possono dire se nuove particelle esotiche stiano spingendo sui muoni fino a quando non sono d'accordo sugli effetti delle 17 particelle del Modello Standard di cui già conoscono.

Indipendentemente da ciò, ci sono molte ragioni per essere ottimisti: i ricercatori sottolineano che anche se BMW avesse ragione, lo sconcertante divario tra i due calcoli potrebbe esso stesso indicare una nuova fisica. Ma per il momento, gli ultimi 20 anni di conflitto tra teoria ed esperimento sembrano essere stati sostituiti da qualcosa di ancora più inaspettato: una battaglia tra teoria e teoria.

Muoni imponenti

Il motivo per cui i fisici hanno atteso con impazienza la nuova misurazione del Fermilab è che il momento magnetico del muone – essenzialmente la forza del suo magnetismo intrinseco – codifica un'enorme quantità di informazioni sull'universo.

Un secolo fa, i fisici presumevano che i momenti magnetici delle particelle elementari avrebbero seguito la stessa formula degli oggetti più grandi. Invece hanno scoperto che gli elettroni ruotano nei campi magnetici il doppio del previsto. Il loro "rapporto giromagnetico" o "fattore g" – il numero che mette in relazione il loro momento magnetico con le altre loro proprietà – sembrava essere 2, non 1, una scoperta a sorpresa spiegata successivamente dal fatto che gli elettroni sono "spin-1/2" particelle, che tornano allo stesso stato dopo aver eseguito due giri completi anziché uno.

Per anni, sia elettroni e muoni sono stati pensati per avere g-fattori esattamente 2. Poi nel 1947, Polykarp Kusch e Henry Foley misurata g fattore dell'elettrone essere 2,00,232 mila. Il fisico teorico Julian Schwinger ha spiegato quasi immediatamente i bit extra : ha mostrato che le piccole correzioni derivano dalla tendenza di un elettrone ad emettere e riassorbire momentaneamente un fotone mentre si muove attraverso lo spazio.

Si verificano anche molte altre fluttuazioni quantistiche fugaci. Un elettrone o un muone potrebbe emettere e riassorbire due fotoni, oppure un fotone che per breve tempo diventa un elettrone e un positrone, tra le innumerevoli altre possibilità che il Modello Standard consente. Queste manifestazioni temporanee viaggiano con un elettrone o un muone come un entourage e tutte contribuiscono alle sue proprietà magnetiche. "La particella che pensavi fosse un muone nudo è in realtà un muone più una nuvola di altre cose che appaiono spontaneamente", ha detto Chris Polly , un altro leader dell'esperimento Fermilab Muon g-2. "Cambiano il momento magnetico."

Più una fluttuazione quantistica è rara, meno contribuisce al fattore g dell'elettrone o del muone. "Man mano che vai oltre le cifre decimali, puoi vedere dove improvvisamente i quark iniziano ad apparire per la prima volta", ha detto Polly. Più avanti ci sono particelle chiamate bosoni W e Z e così via. Poiché i muoni sono 207 volte più pesanti degli elettroni, hanno circa 207 ² (o 43.000) probabilità di evocare particelle pesanti nel loro entourage; queste particelle quindi alterano il fattore g del muone molto più di quello di un elettrone. "Quindi, se stai cercando particelle che potrebbero spiegare la massa mancante dell'universo – la materia oscura – o stai cercando particelle di una teoria chiamata supersimmetria", ha detto Polly, "è lì che il muone ha un ruolo unico".

Per decenni, i teorici si sono sforzati di calcolare i contributi al fattore g del muone provenienti da iterazioni sempre più improbabili di particelle note dal modello standard, mentre gli sperimentatori hanno misurato il fattore g con una precisione sempre crescente. Se la misurazione superasse le aspettative, ciò tradirebbe la presenza di estranei nell'entourage del muone: apparizioni fugaci di particelle oltre il Modello Standard.

Le misurazioni del momento magnetico del muone sono iniziate alla Columbia University negli anni '50 e sono state rilevate un decennio dopo al CERN, il laboratorio europeo di fisica delle particelle. Lì, i ricercatori hanno sperimentato la tecnica di misurazione ancora utilizzata al Fermilab oggi.

I muoni ad alta velocità vengono proiettati in un anello magnetizzato. Quando un muone sferza intorno all'anello, passando attraverso il suo potente campo magnetico, l'asse di rotazione della particella (che può essere rappresentato come una piccola freccia) ruota gradualmente. Milionesimi di secondo dopo, tipicamente dopo aver girato intorno all'anello alcune centinaia di volte, il muone decade, producendo un elettrone che vola in uno dei rilevatori circostanti. Le energie variabili degli elettroni che emanano dall'anello in momenti diversi rivelano la velocità con cui ruotano i muoni.

Negli anni '90, un team del Brookhaven National Laboratory di Long Island ha costruito un anello largo 50 piedi per lanciare muoni e ha iniziato a raccogliere dati. Nel 2001, i ricercatori hanno annunciato i loro primi risultati, riportando 2.0023318404 per il fattore g del muone, con qualche incertezza nelle ultime due cifre. Nel frattempo, la previsione del modello standard più completa all'epoca ha fornito il valore significativamente inferiore di 2,0023318319.

È diventata immediatamente la discrepanza dell'ottavo decimale più famosa al mondo.

"Centinaia di giornali lo coprirono", ha detto Polly, che all'epoca era una studentessa laureata con l'esperimento.

La misurazione di Brookhaven ha superato la previsione di quasi tre volte il suo presunto margine di errore, noto come deviazione di tre sigma. Un gap di tre sigma è significativo, è improbabile che sia causato da un rumore casuale o da uno sfortunato accumulo di piccoli errori. Suggeriva fortemente che mancasse qualcosa dal calcolo teorico, qualcosa come una particella di materia oscura o un bosone portatore di forza extra.

Ma a volte accadono improbabili sequenze di eventi, quindi i fisici richiedono una deviazione di cinque sigma tra una previsione e una misurazione per rivendicare definitivamente una scoperta.

Problemi con gli adroni

Un anno dopo la misurazione dei titoli di Brookhaven, i teorici hanno individuato un errore nella previsione. Una formula che rappresenta un gruppo delle decine di migliaia di fluttuazioni quantistiche in cui i muoni possono impegnarsi conteneva un segno meno anomalo; fissarlo nel calcolo ha ridotto la differenza tra teoria ed esperimento a soli due sigma. Non c'è niente di cui entusiasmarsi.

Ma poiché il team di Brookhaven ha accumulato 10 volte più dati, la loro misurazione del fattore g del muone è rimasta la stessa mentre le barre di errore attorno alla misurazione si sono ridotte. La discrepanza con la teoria è cresciuta fino a tre sigma al momento del rapporto finale dell'esperimento nel 2006. E ha continuato a crescere, poiché i teorici hanno continuato ad affinare la previsione del Modello Standard per il fattore g senza vedere il valore spostarsi verso l'alto verso la misurazione.

L'anomalia di Brookhaven si profilava sempre più grande nella psiche dei fisici mentre altre ricerche di nuove particelle fallivano. Nel corso degli anni 2010, il Large Hadron Collider da 20 miliardi di dollari in Europa ha sbattuto insieme i protoni nella speranza di evocare dozzine di nuove particelle che potessero completare il modello dei mattoni della natura. Ma il collisore ha trovato solo il bosone di Higgs, l'ultimo pezzo mancante del modello standard. Nel frattempo, una serie di ricerche sperimentali sulla materia oscura non ha trovato nulla. Le speranze di una nuova fisica si basavano sempre più sui muoni traballanti. "Non so se sia l'ultima grande speranza per una nuova fisica, ma certamente è una grande speranza", mi ha detto Matthew Buckley , un fisico delle particelle alla Rutgers University.

Tutti sapevano che per varcare la soglia della scoperta avrebbero dovuto misurare nuovamente il rapporto giromagnetico del muone, e più precisamente. Quindi i piani per un esperimento di follow-up sono stati avviati. Nel 2013, il magnete gigante utilizzato a Brookhaven è stato caricato su una chiatta al largo di Long Island e spedito lungo la costa atlantica e lungo i fiumi Mississippi e Illinois fino al Fermilab, dove il potente fascio di muoni del laboratorio avrebbe consentito ai dati di accumularsi molto più velocemente di prima. Questo e altri miglioramenti avrebbero consentito al team del Fermilab di misurare il fattore g del muone quattro volte più accuratamente di quanto avesse fatto Brookhaven.

Nel 2016, El-Khadra e altri hanno iniziato a organizzare la Theory Initiative, cercando di appianare eventuali disaccordi e arrivare a una previsione del modello standard di consenso del fattore g prima che arrivassero i dati del Fermilab. "Per l'impatto di una misurazione sperimentale così squisita per essere massimizzata, la teoria ha bisogno di mettere insieme le sue azioni, in pratica ", ha detto, spiegando il ragionamento in quel momento. I teorici hanno confrontato e combinato i calcoli di diversi bit e pezzi quantistici che contribuiscono al fattore g del muone e sono arrivati ​​a una previsione complessiva la scorsa estate di 2.0023318362. Ciò è sceso di 3,7 sigma al di sotto della misurazione finale di Brookhaven di 2,0023318416.

Ma il rapporto della Theory Initiative non era l'ultima parola.

L'incertezza su ciò che il Modello Standard prevede per il momento magnetico del muone deriva interamente dalla presenza nel suo entourage di “adroni”: particelle fatte di quark. I quark sentono la forza forte (una delle tre forze del Modello Standard), che è così forte che è come se i quark nuotassero nella colla, e quella colla è infinitamente densa di altre particelle. L'equazione che descrive la forza forte (e quindi, in definitiva, il comportamento degli adroni) non può essere risolta esattamente.

Ciò rende difficile valutare la frequenza con cui gli adroni compaiono nel mezzo del muone. Lo scenario dominante è il seguente: il muone, mentre viaggia, emette momentaneamente un fotone, che si trasforma in un adrone e un antihadron; la coppia adroni-antihadron si annichilisce rapidamente in un fotone, che il muone riassorbe. Questo processo, chiamato polarizzazione adronica del vuoto, contribuisce con una piccola correzione al rapporto giromagnetico del muone a partire dalla settima cifra decimale. Il calcolo di questa correzione implica la risoluzione di una complicata somma matematica per ciascuna coppia di adroni-antihadron che può sorgere.

L'incertezza su questo termine di polarizzazione del vuoto adronico è la fonte primaria di incertezza complessiva sul fattore g. Un piccolo aumento di questo termine può cancellare completamente la differenza tra teoria ed esperimento. I fisici hanno due modi per calcolarlo.

Con il primo metodo, i ricercatori non provano nemmeno a calcolare il comportamento degli adroni. Invece, traducono semplicemente i dati di altri esperimenti di collisione di particelle in un'aspettativa per il termine di polarizzazione del vuoto adronico. "L'approccio basato sui dati è stato perfezionato e ottimizzato nel corso di decenni e diversi gruppi concorrenti che utilizzano dettagli diversi nei loro approcci si sono confermati a vicenda", ha affermato Stöckinger. The Theory Initiative ha utilizzato questo approccio basato sui dati.

Ma negli ultimi anni, un metodo puramente computazionale è andato costantemente migliorando. In questo approccio, i ricercatori usano i supercomputer per risolvere le equazioni della forza forte in punti discreti su un reticolo invece che ovunque nello spazio, trasformando il problema infinitamente dettagliato in uno finito. Questo modo di analizzare a grana grossa il pantano dei quark per prevedere il comportamento degli adroni "è simile a una previsione meteorologica o meteorologica", ha spiegato Fodor. Il calcolo può essere reso estremamente preciso mettendo i punti del reticolo molto vicini tra loro, ma questo spinge anche i computer ai loro limiti.

Il team BMW di 14 persone – che prende il nome da Budapest, Marsiglia e Wuppertal, le tre città europee in cui si trovava originariamente la maggior parte dei membri del team – ha utilizzato questo approccio. Hanno fatto quattro innovazioni principali. Per prima cosa hanno ridotto il rumore casuale. Hanno anche escogitato un modo per determinare in modo molto preciso la scala nel loro reticolo. Allo stesso tempo, hanno più che raddoppiato le dimensioni del loro reticolo rispetto agli sforzi precedenti, in modo da poter studiare il comportamento degli adroni vicino al centro del reticolo senza preoccuparsi degli effetti sui bordi. Infine, hanno incluso nel calcolo una famiglia di dettagli complicati che vengono spesso trascurati, come le differenze di massa tra i tipi di quark. "Tutti e quattro avevano bisogno di molta potenza di calcolo", ha detto Fodor.

I ricercatori hanno poi sequestrato i supercomputer a Jülich, Monaco, Stoccarda, Orsay, Roma, Wuppertal e Budapest e li hanno messi a lavorare su un nuovo e migliore calcolo. Dopo diverse centinaia di milioni di ore centrali di scricchiolio, i supercomputer hanno sputato fuori un valore per il termine di polarizzazione del vuoto adronico. Il loro totale, se combinato con tutti gli altri contributi quantistici al fattore g del muone, ha prodotto 2,00233183908. Questo è "in discreto accordo" con l'esperimento di Brookhaven, ha detto Fodor. "L'abbiamo controllato un milione di volte perché siamo rimasti molto sorpresi." Nel febbraio 2020, hanno pubblicato il loro lavoro sul server di preprint di arxiv.org.

The Theory Initiative ha deciso di non includere il valore della BMW nella loro stima ufficiale per alcuni motivi. L'approccio basato sui dati ha una barra di errore leggermente più piccola e tre diversi gruppi di ricerca hanno calcolato la stessa cosa in modo indipendente. Al contrario, il calcolo del reticolo di BMW non è stato pubblicato la scorsa estate. E sebbene il risultato concordi bene con calcoli reticolari precedenti e meno precisi che risultavano anch'essi alti, non è stato replicato in modo indipendente da un altro gruppo con la stessa precisione.

La decisione della Theory Initiative significava che il valore teorico ufficiale del momento magnetico del muone aveva una differenza di 3,7 sigma con la misurazione sperimentale di Brookhaven. Ha posto le basi per quella che è diventata la rivelazione più attesa nella fisica delle particelle dal bosone di Higgs nel 2012.

Le rivelazioni

Un mese fa, il team del Fermilab Muon g-2 ha annunciato che oggi presenterà i primi risultati. I fisici delle particelle erano estasiati. Laura Baudis , una fisica dell'Università di Zurigo, ha detto che stava "contando i giorni fino al 7 aprile", dopo aver anticipato il risultato per 20 anni. "Se i risultati di Brookhaven fossero confermati dal nuovo esperimento al Fermilab", ha detto, "questo sarebbe un risultato enorme".

E in caso contrario, se l'anomalia dovesse scomparire, alcuni nella comunità della fisica delle particelle temevano niente di meno che "la fine della fisica delle particelle", ha detto Stöckinger. L'esperimento Fermilab g-2 è "la nostra ultima speranza di un esperimento che dimostri davvero l'esistenza della fisica oltre il Modello Standard", ha detto. Se non riuscisse a farlo, molti ricercatori potrebbero pensare che "ora ci arrendiamo e dobbiamo fare qualcos'altro invece di ricercare la fisica oltre il modello standard". Ha aggiunto: "Onestamente, potrebbe essere la mia reazione".

Il team di 200 persone del Fermilab ha rivelato a se stessi il risultato solo sei settimane fa in una cerimonia di presentazione su Zoom. Tammy Walton , uno scienziato del team, è corso a casa per assistere allo spettacolo dopo aver svolto il turno di notte nell'esperimento, che è attualmente alla sua quarta serie. (La nuova analisi copre i dati della prima esecuzione, che costituiscono il 6% di ciò che l'esperimento alla fine accumulerà.) Quando il numero importantissimo è apparso sullo schermo, tracciato insieme alla previsione della Theory Initiative e alla misurazione di Brookhaven, Walton è stato entusiasta di vederlo atterrare più in alto del primo e praticamente tamponare il secondo. "Le persone saranno pazze eccitate", ha detto.

I documenti che propongono varie idee per la nuova fisica dovrebbero inondare l'arxiv nei prossimi giorni. Tuttavia, oltre a ciò, il futuro non è chiaro. Quella che una volta era un'illuminante frattura tra teoria ed esperimento è stata offuscata da uno scontro di calcoli molto più nebuloso.

È possibile che il calcolo del supercomputer si riveli sbagliato – che la BMW abbia trascurato qualche fonte di errore. "Dobbiamo esaminare da vicino il calcolo", ha detto El-Khadra, sottolineando che è troppo presto per trarre conclusioni definitive. "Si sta spingendo sui metodi per ottenere quella precisione e dobbiamo capire se il modo in cui hanno spinto i metodi li ha infranti".

Sarebbe una buona notizia per i fan della nuova fisica.

È interessante notare, tuttavia, che anche se il metodo basato sui dati è l'approccio con un problema non identificato sotto il cofano, i teorici hanno difficoltà a capire quale potrebbe essere il problema oltre alla nuova fisica non spiegata. "La necessità di una nuova fisica si sposterebbe solo altrove", ha affermato Martin Hoferichter dell'Università di Berna, membro di spicco della Theory Initiative.

I ricercatori che hanno esplorato possibili problemi con il metodo basato sui dati nell'ultimo anno affermano che è improbabile che i dati stessi siano errati. Proviene da decenni di misurazioni ultraprecise di 35 processi adronici. Ma "potrebbe essere che i dati, o il modo in cui vengono interpretati, siano fuorvianti", ha detto Andreas Crivellin del CERN e di altre istituzioni, coautore (insieme a Hoferichter) di un articolo che studia questa possibilità.

È possibile, ha spiegato, che un'interferenza distruttiva accada per ridurre la probabilità che i processi adronici si verifichino in certe collisioni elettrone-positrone, senza influenzare la polarizzazione del vuoto adronico vicino ai muoni; quindi l'estrapolazione basata sui dati dall'una all'altra non funziona del tutto. In quel caso, però, un altro calcolo del Modello Standard che è sensibile agli stessi processi adronici viene scartato, creando una tensione diversa tra teoria e dati. E questa tensione suggerirebbe essa stessa una nuova fisica.

È difficile risolvere quest'altra tensione mantenendo la nuova fisica "abbastanza sfuggente da non essere stata osservata altrove", come ha detto El-Khadra, ma è possibile, ad esempio, introducendo gli effetti di particelle ipotetiche chiamate leptoni simili a vettori .

Quindi il mistero che vortica intorno ai muoni potrebbe aprire la strada oltre il Modello Standard per un resoconto più completo dell'universo, dopotutto. Comunque vadano le cose, si può dire con certezza che le notizie di oggi – sia il risultato del Fermilab, sia la pubblicazione del calcolo BMW su Nature – non sono la fine per la fisica delle particelle.

Il post "Last Hope" Experiment Finds Evidence for Unknown Particles è apparso per la prima volta su Quanta Magazine .

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Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/muon-g-2-experiment-at-fermilab-finds-hint-of-new-particles-20210407/ in data Wed, 07 Apr 2021 15:00:55 +0000.