Perché alcuni fisici dubitano dell’esperimento sui muoni che allude alla “nuova fisica”

Una delle cose più piccole nell’universo potrebbe aver cambiato tutto ciò che sappiamo su di essa.

Mercoledì il Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (Fermilab) in Illinois ha svelato i risultati tanto attesi da un esperimento di fisica delle particelle memorizzato noto come Muon g-2. I risultati bizzarri, che hanno mostrato qualcosa di molto diverso da quanto previsto dalle teorie standard, hanno scioccato i fisici di tutto il mondo e, se confermati, suggeriscono che le teorie della fisica fondamentale potrebbero essere sbagliate.

“Questo è il momento in cui la sonda atterra su Marte”, ha detto il fisico del Fermilab Chris Polley Raccontare Il New York Times per i risultati.

Dati pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica, Ha dimostrato che le particelle fondamentali chiamate muoni si comportano in un modo non previsto dal modello standard della fisica delle particelle. Il modello standard è la teoria del gold standard che spiega le quattro forze conosciute nell’universo e tutte le particelle fondamentali. Il modello standard prevedeva addirittura l’esistenza del bosone di Higgs decenni prima che fosse scoperto sperimentalmente nel 2012.

“Questa è una forte prova che il muone è sensibile a qualcosa che non è nelle nostre migliori teorie”, ha detto Renee Fatimi, fisica presso l’Università del Kentucky e direttore della simulazione per l’esperimento Muon g-2. In un comunicato stampa.

Le suddette particelle, note come muoni, si comportano in modo strano se esposte a un forte campo magnetico in un fermilab. Questo strano risultato potrebbe essere il risultato di una particella fondamentale nuova ma non ancora scoperta, che probabilmente farà cambiare rotta in tutto ciò che gli esseri umani sanno sulla fisica.

Ma non tutti i fisici comprano i risultati. Il motivo è in parte correlato a un numero chiamato sigma.

Cerco sigma

In fisica, come nella maggior parte delle scienze che coinvolgono esperimenti, i propri risultati sperimentali sono distinti da un numero, Sigma, Questo trasmette la probabilità che il suddetto risultato sia una possibilità casuale.

Supponi di aver formulato una teoria secondo cui le monete appariranno sempre chiaramente, quindi esegui un esperimento in cui lanci una moneta 10 volte e vedi che la tua moneta apparirà ogni volta. Potrebbe effettivamente accadere – in effetti, accadrebbe una volta ogni mille volte – ma i tuoi risultati, sebbene all’inizio scioccanti, non causeranno un ripensamento della teoria del lancio delle monete. Questo perché 10 fluttuazioni non sono sufficienti per le prove a giustificare un numero sigma che denoterebbe una condizione “vero senza un briciolo di dubbio”. Ciò richiederà un cosiddetto punteggio 5 sigma, che corrisponde a una probabilità su 30 milioni che la tua esperienza sia stata un colpo di fortuna.

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L’esperimento del Fermilab con i muoni è stato il seguito di un esperimento al Brookhaven National Laboratory nel 2001, che aveva un significato di circa 3,7 sigma. In combinazione con i risultati del Fermilab, il valore sigma è aumentato a 4,2 sigma; 5 è il gold standard per gli scienziati per rivendicare una nuova scoperta.

In altre parole, l’esperimento Muon g-2 non ha raggiunto lo standard gold five sigma bar.

Una volta in un muone blu

Nonostante sia una delle dodici particelle di base nell’universo, i muoni si vedono raramente; Hanno proprietà simili agli elettroni di tutti i giorni, in quanto trasportano una carica e tuttavia hanno una massa molto maggiore rispetto alle loro controparti elettroniche. I muoni hanno una durata di vita molto breve: dopo essere stati creati in collisioni ad alta energia, come quando i raggi cosmici colpiscono l’atmosfera terrestre, decadono in media 1,56 microsecondi più tardi. È uno dei grandi misteri della fisica che alcune delle particelle fondamentali dell’universo non saranno attrezzate per sopravvivere in questo universo.

Simile al suo cugino elettronico, i muoni hanno un magnetismo interno; Come ogni magnete, può essere manipolato e riproposto in presenza di campi magnetici. Gli acceleratori di particelle nel Fermilab possono produrre muoni in grandi quantità, come hanno fatto i ricercatori del Fermilab per l’esperimento Muon g-2: hanno monitorato il modo in cui i muoni interagiscono in un acceleratore di particelle in presenza di un forte campo magnetico.

In un tale campo magnetico, il muone oscilla in un modo determinato da un numero intrinseco noto come fattore g. Questo numero cambia a seconda dell’ambiente del muone e delle interazioni con altre particelle. Muon g-2 è progettato per misurare il fattore g di un muone con una precisione molto elevata.

Molto semplicemente, quello che è successo nell’esperimento Muon g-2 è che il risultato atteso è diverso da quello che la teoria impone. La discrepanza, sulla carta, appare minima. Secondo il modello standard, un fattore g accettabile per un muone è 2,00233183620. Ma il nuovo esperimento ha prodotto risultati a 2,00233184122, una differenza di 0,00000000502.

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Può sembrare piccolo. Ma per una teoria che predisse accuratamente le proprietà delle particelle in un numero maggiore di quello, la discrepanza è enorme.

“Questa quantità che misuriamo riflette le interazioni del muone con tutto il resto dell’universo”, ha detto Fatemi. “Ma quando i teorici calcolano la stessa quantità, utilizzando tutte le forze e le particelle conosciute nel Modello Standard, non otteniamo la stessa risposta”.

Una nuvola di muone, un granello di sale

Tuttavia, nonostante l’entusiasmo del team del Fermilab, alcuni fisici sono cauti sui risultati.

“Ci sono pochissimi dubbi che sono stati espressi”, afferma Bruce Schum, professore di fisica presso l’Università della California-Santa Cruz e autore di Libro popolare Sul modulo standard, ha detto al salone. Shum ha confermato finora il successo del modello standard. Ha osservato che “quando si misurano e si confrontano le previsioni in base a tutto ciò che sappiamo – il modello standard – c’è poca preoccupazione che questo calcolo possa non essere stato eseguito correttamente”.

Avi Loeb, l’ex presidente del dipartimento di astronomia dell’Università di Harvard, era più ottimista sui risultati, ma, ha osservato, con cautela.

“La misurazione è interessante, ma la sua significatività statistica di 4,2 SD non ha raggiunto il gold standard nei dati di fisica delle particelle di 5”, ha detto Loeb a Salon via e-mail. “Inoltre, non è chiaro se l’anomalia rappresenti una nuova fisica o un errore di calcolo teorico; circa una mezza dozzina di gruppi teorici calcolano il valore atteso e le incertezze teoriche oscurano l’importanza della contraddizione”.

“Nel corso degli anni, molte anomalie sono solo sembrate scomparire, lasciando invariato il modello standard della fisica delle particelle”, ha aggiunto Loeb.

Questo è effettivamente vero e parla dell’efficacia del Modello Standard. Un’anomalia precedente è apparsa nel 2018, ovvero Esperienza: ha fatto esperimenti Ciò ha comportato l’attaccamento dei muoni ai protoni, quindi la misurazione del raggio di un protone ha portato a uno strano risultato per un protone. La larghezza del protone osservato, quando legata al muone, era di circa il 4% più corta del previsto. Alcuni fisici hanno ipotizzato che il risultato potrebbe essere spiegato da “nuova fisica” – dimensioni non spaziali, nuove particelle fondamentali o qualcosa di simile. Studi futuri Valori trovati più vicini a quelli attesi per la larghezza del protone; Ma questi non avevano i valori sigma per essere definitivi. A partire dal 2020, la giuria è ancora fuori, ma la nuova fisica sembra meno probabile.

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Per quanto riguarda i risultati del Muon g-2, Shum ha detto che i fisici sanno che sembra esserci un “nuovo effetto” con i muoni al momento. Ma ciò non significa che siano state scoperte nuove particelle – ancora.

“Se c’è un nuovo effetto, tutto quello che sappiamo è che è probabile che ci sia una nuova particella che può essere rilevata associata a questo effetto”, ha detto Shum.

Il modello standard potrebbe ancora essere sbagliato?

“Questa è decisamente un’esagerazione per dire che il modello standard è in pericolo”, ha detto Shum. “Il modello standard è sempre stato conosciuto, dal giorno in cui è stato inventato, come quella che viene chiamata” teoria efficace “. Shum ha paragonato il modello standard alla” punta di un iceberg “, in cui la punta è osservata e ben compresa anche se non sappiamo esattamente cosa c’è sotto l’acqua, quantità di denaro [the Standard Model] Non cadrà mai come rappresentazione di quel vertice di un iceberg “.

Shum ha paragonato questo scenario alla relazione tra le leggi di Newton e La teoria della relatività di Einstein Sottolineando che Albert Einstein non ignorò le leggi di Newton, ma piuttosto si basò su di esse. In altre parole, se c’è una nuova particella, è improbabile che il Modello Standard venga gettato da parte, ma piuttosto costruito.

Attenzione a parte, se la contraddizione è confermata da esperimenti futuri, non solo cambierà la fisica, ma migliorerà anche la nostra comprensione dell’universo e forse spiegherà anche fenomeni inspiegabili come Materia oscura, Che potrebbe essere correlato a Particelle non scoperte.

“Se il paradosso è dimostrato attraverso futuri miglioramenti nei dati sperimentali e calcoli teorici, le nuove particelle coinvolte potrebbero essere associate alla materia oscura nell’universo”, ha detto Loeb. “In questo momento, non conosciamo la natura della maggior parte della materia nell’universo. Sapere questo ci aiuterà a capire come le galassie come la Via Lattea siano state raggruppate nel corso della storia cosmica”.


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Giustina Rizzo

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