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Possibili indizi di nuova fisica nei primi risultati di Muon g-2

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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 oggi, mercoledì 7 aprile, nel corso di una presentazione svoltasi presso il Fermi National Accelerator Laboratory (FermiLab) di Batavia, vicino Chicago, il centro statunitense per le ricerche in fisica delle particelle, che ospita l’esperimento. La collaborazione internazionale responsabile di Muon g-2, di cui l’INFN è uno dei principali membri sin dalla sua nascita, è riuscita a ottenere una misura del cosiddetto momento magnetico anomalo 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, vicino New York, e conclusosi nel 2001.

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 poter annunciare una scoperta. Questo risultato fondamentale rappresenta un importante ed entusiasmante indizio della possibile 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 attesa 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. “L’INFN può ritenersi orgoglioso di questa impresa, avendo svolto un ruolo determinate in tutto l’esperimento. Un successo in buona parte merito dei giovani ricercatori i quali, con il loro talento, idee ed entusiasmo, hanno consentito di ottenere questo primo importante risultato”.

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, analogo a quello di una trottola in rotazione. 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 evidenzia una differenza tra il valore misurato di ‘g-2’ per i muoni e 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 e il calcolo teorico potrebbe quindi essere dovuta a particelle e 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 e 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 misura di precisione richiede una sofisticata, continua calibrazione dei calorimetri, ovvero l’iniezione di brevi impulsi laser che ne garantiscano la stabilità della risposta, fino a 1 parte su 10.000”, spiega Michele Iacovacci, ricercatore della collaborazione Muon g-2 e della Sezione INFN di Napoli.

Realizzato in Italia, in collaborazione con l’Istituto Nazionale di Ottica del CNR, e finanziato dall’INFN, l’innovativo sistema di calibrazione laser ha rappresentato un notevole passo in avanti rispetto a quelli precedentemente in uso ed è stato uno degli ingredienti fondamentali per ottenere il risultato oggi pubblicato su Physical Review Letter.

Oltre allo sviluppo e alla realizzazione di questo sistema l’INFN, tra i fondatori della collaborazione, ha svolto e continua a svolgere un ruolo centrale all’interno dell’esperimento Muon g-2, composta da 200 scienziati provenienti da 35 istituzioni di 7 diversi paesi.

“Possiamo essere fieri del contributo che l’INFN ha saputo offrire a questa importante scoperta, sia nella fase di ideazione e costruzione dell’apparato, che ha visto attive le strutture dell’INFN di Napoli, Pisa, Roma Tor Vergata, Trieste, Udine, e dei Laboratori Nazionali di Frascati, sia in quella successiva di analisi, con contributi originali da parte di validissimi giovani ricercatori”, afferma Marco Incagli, della sezione INFN di Pisa, responsabile nazionale di Muon g-2.

 

Approfondimenti:

Precisamente anomalo
La misura del momento magnetico del muone
di Luca Trentadue
in Asimmetrie 23 Muone

Una vita da mediano
Storia della più elegante, eclettica e robusta tra le particelle
di Filippo Ceradini
in Asimmetrie 23 Muone

Un mare di antimateria
L’equazione di Dirac, dalla meccanica quantistica al modello standard
di Graziano Venanzoni
in Asimmetrie 19 Equazioni

 

Comunicato Stampa dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare

L’esperimento NA62, installato nei laboratori del CERN di Ginevra, ha annunciato un importante risultato ottenuto dalla analisi dei dati raccolti fra il 2016 e il 2018, il ruolo degli scienziati perugini 

 

 

esperimento NA62
L’esperimento NA62 installato presso il CERN (immagine proveniente dalla pagina web: https://na62.web.cern.ch/Home/Home.html)

Nel tardo pomeriggio del 28 luglio 2020, in occasione della quarantesima edizione della International Conference on High Energy Physics (ICHEP), l’esperimento NA62, installato presso i laboratori del CERN di Ginevra, ha annunciato un importante risultato ottenuto dalla analisi dei dati raccolti fra il 2016 e il 2018. 

 L’esperimento NA62 è stato costruito con lo scopo di osservare il decadimento ultra-raro di un kaone carico in un pione carico e una coppia neutrino-antineutrino (K+ → p+ nn), e di misurare la probabilità che esso avvenga dato un generico decadimento del kaone carico. 

La teoria che descrive le interazioni fra particelle elementari, il cosiddetto Modello Standard, prevede che questo decadimento avvenga circa una volta ogni dieci miliardi di decadimenti del kaone carico. La misura della probabilità di decadimento da parte di NA62 può quindi fornire un test di precisione per il Modello Standard, con la possibilità di evidenziare effetti di Nuova Fisica, qualora il risultato della misura sia significativamente diverso dalla predizione teorica. 

L’esperimento NA62 ha annunciato di aver osservato, nei dati raccolti nel 2018, diciassette eventi compatibili con il decadimento cercato, che si aggiungono ai due eventi osservati nei dati 2017 e ad un evento osservato nei dati 2016. Ciò rappresenta la più alta statistica mai raccolta per l’osservazione di questo decadimento, che ha consentito all’esperimento NA62 di poter effettuare la misura più precisa mai realizzata per questa probabilità di decadimento, che risulta essere compatibile con quanto predetto dalla teoria, entro le incertezze sperimentali. 

L’esperimento continuerà a raccogliere dati a partire dal 2021, al fine di migliorare ulteriormente la precisione della misura. 

Alla Collaborazione NA62, che conta circa duecento ricercatori da tutto il mondo, partecipa anche un gruppo di ricercatori del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia (referente: Prof.ssa Giuseppina Anzivino) e della sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (referente: Dott.ssa Monica Pepe). 

Il gruppo ha contribuito in maniera fondamentale a tale risultato, attraverso la partecipazione alla costruzione e al mantenimento di uno dei rivelatori chiave dell’esperimento, il RICH, e rivestendo un ruolo da protagonista nell’analisi dei dati che ha portato all’osservazione degli eventi, con due tesi di dottorato sul tema.

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Perugia

Record mondiale di luminosità all’acceleratore di particelle SuperKEKB in Giappone, il ruolo degli scienziati perugini

Luminosità istantanea fornita dall’acceleratore SuperKEKB al rilevatore Belle II in funzione del tempo

Alle 13.34 del 15 Giugno 2020 ora italiana, l’acceleratore SuperKEKB, nel laboratorio KEK a Tsukuba in Giappone, ha stabilito un nuovo record mondiale, raggiungendo la luminosità istantanea di 2.22×1034 cm-2 s -1 . Il precedente record di luminosità era detenuto dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra con 2.14×1034 cm-2 s -1 .

La luminosità di un acceleratore esprime la capacità dell’apparato di produrre collisioni tra particelle e pertanto rappresenta uno dei principali elementi per ottenere nuove scoperte nel campo della fisica. In SuperKEKB avvengono collisioni tra elettroni e positroni ad un’energia prossima alla massa della risonanza Y(4S) (10.58 GeV) dove è copiosa la produzione di mesoni B, D e di leptoni t.

L’esperimento Belle II ha come obbiettivo principale la ricerca di effetti di nuova fisica, al di là del Modello Standard, nella produzione e nel decadimento di tale particelle.

Belle II è il risultato di una collaborazione internazionale di circa 1.000 fisici e ingegneri provenienti da 115 università e laboratori di 26 Paesi. L’Italia partecipa attraverso l’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) e le Università collegate, tra cui la Sezione di Perugia INFN e l’Ateneo perugino.

Claudia Cecchi, Maurizio Biasini, Elisa Manoni

Il gruppo perugino dell’esperimento Belle II, guidato dalla Professoressa Claudia Cecchi del Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università degli Studi di Perugia, contribuisce attivamente alla presa dati dell’esperimento, al mantenimento di una parte del rivelatore in particolare del Calorimetro Elettromagnetico (ECL) per la misura dell’energia di fotoni ed elettroni e ricopre ruoli di responsabilità nell’analisi dei dati per la ricerca di decadimenti rari che potrebbero dare informazioni fondamentali sulla ricerca di Nuova Fisica oltre il modello Standard. Il gruppo si avvale inoltre della collaborazione del Professor Maurizio Biasini, docente dello stesso Dipartimento, e della Dottoressa Elisa Manoni, ricercatrice della Sezione di Perugia dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare.

Sebbene il Modello Standard descriva correttamente il comportamento delle particelle sub-atomiche note, numerose teorie predicono nuove particelle e ci sono osservazioni di natura astrofisica che suggeriscono l’esistenza di materia ed energia oscure. Inoltre è tutt’ora aperta la questione di quale sia l’origine dell’asimmetria materia-antimateria dell’universo. Nuove particelle, con massa molto grande, possono essere prodotte direttamente se si dispone di energia sufficiente, oppure possono essere osservate indirettamente attraverso gli effetti quantistici con cui modificano i processi di produzione e decadimento delle particelle già note e questo secondo approccio è quello seguito dal collisore SuperKEKB e dall’esperimento Belle II. Questi effetti quantistici sono tanto più rari quanto è maggiore la massa della nuova particella che li genera ed è quindi necessaria una grande quantità di dati per osservarli, per cui la luminosità fornita dal collisore è un fattore cruciale in questa ricerca. L’esperimento Belle II, in circa 10 anni di presa dati, accumulerà una luminosità integrata 50 volte maggiore (corrispondente alla produzione di 50 miliardi di coppie di mesoni B) rispetto ai suoi predecessori Belle e Babar. I dati raccolti fino ad ora hanno già permesso di porre un limite interessante nell’ambito della ricerca della materia oscura e sono stati pubblicati.

Per raggiungere l’alta luminosità necessaria, SuperKEKB adotta l’innovativo schema a nano-beam secondo il quale si fanno collidere fasci di elettroni e positroni organizzati in pacchetti lunghi ed estremamente sottili che si scontrano con un angolo d’incrocio relativamente grande. Questo record di luminosità è stato ottenuto integrando lo schema a nano-beam con il crab-waist, una tecnica quest’ultima che consente di contenere la distribuzione nello spazio delle fasi delle particelle nei fasci interagenti e di stabilizzare le collisioni.

È doveroso ricordare che lo schema a nano-beam ed il crab-waist sono stati concepiti e realizzati grazie ad un lavoro pioneristico del gruppo di fisica degli acceleratori dei Laboratori Nazionali di Frascati guidati dal fisico italiano Pantaleo Raimondi, anche nel contesto del progetto, poi non realizzato, dell’acceleratore SuperB.

 

Perugia, 26 giugno 2020

 

 

 

Testo e foto dall’Ufficio Stampa Università degli Studi di Perugia