Una 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 al Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) di Batavia, vicino Chicago, il centro statunitense per le ricerche in fisica delle particelle. La collaborazione internazionale responsabile di Muon g-2, composta da 200 scienziati provenienti da 35 istituzioni di 7 diversi paesi, di cui l’INFN è uno dei principali membri sin dalla sua nascita, è riuscita a ottenere una misura dell’anomalia del momento magnetico 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 e conclusosi nel 2001. Nel fondamentale apporto italiano al progetto, coordinato dall’INFN, un importante ruolo ha avuto la partecipazione della Sede di Pisa dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR.

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 reclamare una scoperta. Questo risultato fondamentale rappresenta un importante ed entusiasmante possibile indizio della 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 aspettata da tutta la comunità internazionale della fisica delle particelle. 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.”, afferma Graziano Venanzoni, co-portavoce dell’esperimento Muon g-2 e ricercatore della Sezione INFN di Pisa,

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 dell’anello di accumulazione, analogo a quello di una trottola rispetto alla verticale. 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 dice che il valore di “g-2” per i muoni è differente da 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 ed il calcolo teorico potrebbe quindi essere dovuta a particelle ed interazioni sconosciute di cui il Modello Standard non tiene conto. Con il risultato presentato oggi, 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.

Per misurare con precisione il fattore giromagnetico del muone c’è bisogno di acquisire dati altrettanto precisi sulla precessione dello spin di questa particella. Il muone decade molto rapidamente producendo un neutrino, un antineutrino ed un elettrone, che viene emesso preferibilmente lungo la direzione dello spin del muone. L’esperimento Muon g-2, utilizzando i 24 calorimetri di cui è dotato, misura energia e tempo di arrivo degli elettroni di decadimento e da questi dati estrae la frequenza di precessione dello spin. La sofisticata calibrazione continua dei calorimetri è realizzata tramite un innovativo sistema di calibrazione laser, finanziato dall’INFN, che è stato uno degli ingredienti chiave per ottenere il risultato ad altissima precisione pubblicato su Physical Review Letters. Per la progettazione e la realizzazione di tale sistema è stato fondamentale il contributo del CNR-INO tramite i ricercatori Carlo Ferrari, Andrea Fioretti e Carlo Gabbanini.

“Possiamo essere fieri del contributo italiano a questa importante scoperta, sia nella fase di ideazione e costruzione dell’apparato, sia in quella successiva di analisi, con contributi originali anche da parte di ricercatori provenienti da settori della fisica differenti da quello delle alte energie, come i colleghi del CNR- INO” afferma Marco Incagli, della sezione INFN di Pisa, responsabile nazionale di g-2.  “Una partecipazione che rafforza ulteriormente la collaborazione tra l’INO e l’INFN” sottolinea Francesco Cataliotti, Direttore dell’INO,  “che a Pisa ha numerosi temi di crescente interesse comune.” aggiunge Leonida Gizzi, responsabile della Sede INO di Pisa.