Come la posizione decimale potrebbe ridefinire la fisica

I ricercatori hanno identificato l'origine delle discrepanze nelle recenti previsioni del momento magnetico del muone. Le loro scoperte potrebbero contribuire allo studio della materia oscura e ad altri aspetti della nuova fisica.

Un momento magnetico è una proprietà intrinseca di una particella rotante, derivante dall'interazione tra la particella e un magnete o un altro oggetto con un campo magnetico. Come la massa e la carica elettrica, il momento magnetico è una delle quantità fondamentali della fisica. C’è differenza tra il valore teorico del momento magnetico del muone, particella appartenente alla stessa classe dell’elettrone, e i valori ottenuti negli esperimenti ad alta energia condotti negli acceleratori di particelle.

La differenza appare solo all'ottavo decimale, ma gli scienziati se ne interessano fin dalla sua scoperta nel 1948. Non è un dettaglio: potrebbe indicare se il muone interagisce con particelle di materia oscura o con altri bosoni di Higgs, o addirittura se non è noto . Le truppe stanno partecipando a questa operazione.

Incongruenze nel momento magnetico del muone

Il valore teorico del momento magnetico del muone, rappresentato dalla lettera g, è dato dall'equazione di Dirac – formulata dal fisico inglese e premio Nobel nel 1933 Paulo Dirac (1902-1984), uno dei fondatori della meccanica quantistica e dell'elettrodinamica quantistica – come 2. Tuttavia, gli esperimenti hanno dimostrato che g non è esattamente 2, e c'è molto interesse nel comprendere “g-2”, cioè la differenza tra il valore sperimentale e il valore previsto dall'equazione di Dirac. Il miglior valore sperimentale attualmente disponibile, ottenuto con un sorprendente grado di precisione presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) negli Stati Uniti e annunciato nell’agosto 2023, è 2,00116592059, con un intervallo di incertezza di più o meno 0,00000000022.

“La determinazione precisa del momento magnetico del muone è diventata una questione importante nella fisica delle particelle perché studiare questo divario tra dati sperimentali e previsione teorica può fornire informazioni che possono portare alla scoperta di alcuni nuovi effetti sorprendenti”, ha affermato il fisico Diogo Boito, professore alla dall'Istituto di Fisica dell'Università di São Carlos, San Paolo (IFSC-USP) alla FAPESP.

Sulla rivista è stato pubblicato un articolo su questo argomento di Boito e dei suoi collaboratori Lettere di revisione fisica.

Nuovi spunti dalla ricerca

“I nostri risultati sono stati presentati in due importanti eventi internazionali. Prima da me durante un workshop a Madrid, in Spagna, e poi dal mio collega Martin Goltermann della San Francisco State University in un incontro a Berna, in Svizzera”, ha affermato Boito.

Questi risultati identificano e indicano l'origine della discrepanza tra i due metodi utilizzati per fare le previsioni attuali per il muone g-2. “Esistono attualmente due metodi per determinare la componente fondamentale di g-2. Il primo si basa su dati sperimentali, mentre il secondo si basa su simulazioni al computer della cromodinamica quantistica, o QCD, la teoria che studia le interazioni forti tra i quark. Questi due metodi portare a risultati molto diversi, il che è un grosso problema.” Ha spiegato che finché questo problema non sarà risolto, non potremo studiare i contributi di possibili particelle esotiche come i nuovi bosoni di Higgs o la materia oscura, per esempio, in g-2.

Lo studio spiega con successo questa discrepanza, ma per capirla dobbiamo fare qualche passo indietro e ricominciare da capo con una descrizione un po’ più dettagliata del muone.

Anello di accumulazione di muoni al Fermilab. Credito: Reidar Hahn, Fermilab

Un muone è una particella appartenente alla classe dei leptoni, come nel caso dell'elettrone, ma ha una massa molto maggiore. Per questo motivo è instabile e sopravvive solo per brevissimo tempo in un contesto ad alta energia. Quando i muoni interagiscono tra loro in presenza di un campo magnetico, decadono e si riassemblano come una nuvola di altre particelle, come elettroni, positroni, bosoni W e Z, bosoni di Higgs e fotoni. Pertanto, negli esperimenti, i muoni sono sempre accompagnati da molte altre particelle virtuali. Il loro contributo rende il momento magnetico effettivo misurato negli esperimenti maggiore del momento magnetico teorico calcolato dall’equazione di Dirac, che è pari a 2.

“Per la differenza [g-2]è necessario tenere conto di tutti questi contributi – entrambi quelli previsti dalla QCD [in the Standard Model of particle physics] Altri sono di dimensioni più piccole ma compaiono in misurazioni sperimentali ad alta precisione. “Conosciamo bene molti di questi contributi, ma non tutti”, ha detto Boito.

Gli effetti di interazione forte della QCD non possono essere calcolati teoricamente da soli, poiché sono poco pratici in alcuni sistemi energetici, quindi ci sono due possibilità. Uno è in uso da tempo e prevede il ricorso a dati sperimentali ottenuti da collisioni elettrone-positrone, che creano altre particelle composte da quark. L’altro è la QCD reticolare, che è diventata competitiva solo nell’attuale decennio e prevede la simulazione del processo teorico in un supercomputer.

“Il problema principale nella previsione del muone g-2 al momento è che il risultato ottenuto utilizzando i dati delle collisioni elettrone-positrone non concorda con il risultato sperimentale complessivo, mentre i risultati basati sulla QCD reticolare sì. Non lo era”, ha detto Boito “Nessuno è sicuro del perché, e il nostro studio spiega parte di questo enigma.”

Lui e i suoi colleghi hanno condotto le loro ricerche appositamente per risolvere questo problema. “L'articolo riporta i risultati di una serie di studi in cui abbiamo sviluppato un nuovo metodo per confrontare i risultati delle simulazioni della QCD reticolare con i risultati basati su dati sperimentali. “Abbiamo dimostrato che è possibile estrarre con grande accuratezza i contributi dei dati calcolati dati al reticolo – contributi dei cosiddetti diagrammi di Feynman del continuo”, ha affermato.

Il fisico teorico americano Richard Feynman (1918-1988) vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1965 (insieme a Julian Schwinger e Shinichiro Tomonaga) per il suo lavoro fondamentale nell'elettrodinamica quantistica e nella fisica delle particelle elementari. I diagrammi di Feynman, creati nel 1948, sono rappresentazioni grafiche di espressioni matematiche che descrivono l'interazione di queste particelle e vengono utilizzate per semplificare i calcoli coinvolti.

“In questo studio, abbiamo ottenuto per la prima volta con grande precisione i contributi dei diagrammi di Feynman continui nella cosiddetta 'finestra di energia media'. Oggi abbiamo otto risultati per questi contributi, ottenuti da simulazioni QCD reticolari, e sono tutti in grande accordo Inoltre, abbiamo dimostrato che i risultati basati sui dati di interazione elettrone-positrone non concordano con questi otto risultati delle simulazioni.

Ciò ha consentito ai ricercatori di identificare la fonte del problema e di pensare a possibili soluzioni. “È diventato chiaro che se i dati sperimentali per il canale a due pioni fossero stati sottostimati per qualche motivo, questo potrebbe essere il motivo della discrepanza”, ha detto. I pioni sono mesoni, particelle costituite da quark e antiquark prodotti in collisioni ad alta energia.

In effetti, nuovi dati (ancora in fase di peer review) da Esperienza CMD-3 Questo studio condotto presso l’Università statale di Novosibirsk in Russia sembra dimostrare che i dati dei canali binari più antichi potrebbero essere stati sottostimati per un motivo.

Riferimento: “Determinazione basata sui dati della componente correlata ai quark leggeri del contributo della finestra media al muone g−2“Di Jenessa Benton, Diogo Boito, Martin Golterman, Alexander Keshavarzi, Kim Maltman e Santiago Pires, 21 dicembre 2023, Lettere di revisione fisica.
doi: 10.1103/PhysRevLett.131.251803

La partecipazione di Boito allo studio rientrava nel suo progetto “Testing the Standard Model: Precision QCD and muon g-2”, per il quale la FAPESP gli ha assegnato un Young Investigator Grant di Fase II.