L'esperimento Muon g-2 raddoppia la precisione e si prepara al confronto finale con la teoria

Una nuova e ancora più precisa misura di una particolare proprietà magnetica del muone, il cosiddetto momento magnetico anomalo (indicato con la lettera g), è stata presentata il 10 agosto 2023 dalla Collaborazione scientifica dell'esperimento Muon g-2, di cui l'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) è uno dei principali membri fin dagli inizi, presso il Fermi National Accelerator Laboratory (FermiLab) di Batavia, Chicago, Stati Uniti.

Il nuovo risultato sperimentale di Muon g-2, basato sui dati raccolti nei primi tre anni di attività sperimentale, e presentato in dettaglio in un articolo sottomesso alla rivista Physical Review Letters, è g-2 = 0,00233184110 +/- 0,00000000043 (incertezza statistica) +/- 0,00000000019 (incertezza sistematica), che corrisponde a una precisione di 0,20 parti per milione. La nuova misura, la più precisa sinora realizzata, conferma, migliorandone di un fattore due la precisione, il risultato pubblicato nell'aprile 2021 dalla stessa Collaborazione, ponendo in modo sempre più stringente previsioni teoriche e misure sperimentali davanti alla resa dei conti.

"Con questo aggiornamento della nostra misura stiamo davvero sondando un nuovo territorio e stiamo determinando il momento magnetico del muone con una precisione migliore di quanto non sia mai stato realizzato prima", sottolinea Graziano Venanzoni, professore all'Università di Liverpool e ricercatore associato all'INFN, co-portavoce della Collaborazione Muon g-2, aggiungendo che "Questa misura ci porta oltre le precedenti sensibilità e conferma la tensione con la previsione teorica del 2020".

Filippo Mariani e Antonio Orsini, della Sezione INFN di Pisa, discutono sulla installazione del magnetometro (nella scatola nera sulla tavola a sinistra) per la misura precisa del campo magnetico all'interno dell'anello superconduttore.

La nuova misura sperimentale di g-2 è stata migliorata non solo grazie a un campione di dati più ampio (sono stati considerati due anni di dati in più rispetto al risultato del 2021), ma anche grazie agli aggiornamenti tecnici apportati all’esperimento. Come spiega Marco Incagli, ricercatore responsabile nazionale per l'INFN dell'esperimento Muon g-2, "Abbiamo migliorato molti dettagli sperimentali tra il primo anno di acquisizione dati e il secondo e terzo anno e abbiamo così raggiunto l'obiettivo di ridurre l'incertezza causata da eventuali imperfezioni sperimentali, ossia quella nota come incertezza sistematica".

La presa dati si è conclusa il 9 luglio 2023, quando la Collaborazione ha spento il fascio di muoni che alimentava l'esperimento, dopo 6 anni di acquisizione e dopo aver raggiunto l'obiettivo di raccogliere un insieme di dati di oltre 21 volte maggiore rispetto a quello raccolto dal precedente esperimento condotto nel laboratorio di Brookhaven. Ma mentre l'incertezza sistematica totale ha già superato l’obiettivo di progettazione, l'incertezza statistica (determinata dalla quantità di dati analizzati) sarà migliorata solo dopo aver incorporato nell'analisi tutti i dati prodotti e raccolti nei sei anni di attività, un obiettivo che la Collaborazione Muon g-2 mira a completare nei prossimi due anni.

La differenza di g da 2 (ossia g-2) può essere attribuita alle interazioni del muone con le particelle in una "schiuma" quantistica che lo circonda. Queste particelle "fluttuano" in continuazione tra lo stato di esistenza e non esistenza, cambiando così il modo in cui il muone interagisce con il campo magnetico.

La previsione teorica del valore di g-2 è molto impegnativa. ll Modello Standard prevede come cambia g in questa schiuma quantistica, includendo tutte le forze e le particelle note: nei calcoli si considerano forze elettromagnetiche, nucleari deboli e nucleari forti, fotoni, elettroni, quark, gluoni, neutrini, bosoni W e Z e bosone di Higgs. Se il Modello Standard è corretto, e se il calcolo di g-2 sulla base del Modello Standard lo è altrettanto, allora a questa previsione deve corrispondere la misura sperimentale. Il fatto che il valore di g misurato sperimentalmente si discosti da quello previsto teoricamente potrebbe perciò essere indicazione dell'esistenza di particelle non ancora note che, appunto, contribuiscono a determinare il valore di g-2.

Migliorare di un altro fattore due la precisione sperimentale, e convergere sulla previsione teorica, sarà il compito dei fisici nei prossimi anni, in questa appassionante ricerca di fisica oltre il Modello Standard.