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Un nuovo esperimento ha infranto le ben note regole della fisica

Una delle particelle subatomiche più diffuse nell’universo, il muone, sembra comportarsi male. O almeno non si sta comportando come si aspettano i fisici. In effetti, i muoni si discostano così tanto dalle leggi della fisica che gli scienziati iniziano a credere che la nostra conoscenza di essi sia incompleta o che ci sia una forza nell’universo che non conosciamo ancora.

I muoni sono come i grandi elettroni: sono caricati negativamente, ma sono 207 volte più pesanti degli elettroni. Grazie alla loro carica e ad una proprietà chiamata “spin”, agiscono come minuscoli magneti. Quindi, quando i muoni sono immersi in un altro campo magnetico, subiscono un’oscillazione infinitesimale. Ma in uno studio Fisici del Fermilab, Illinois, questo post ha pubblicato una discrepanza tra il numero di muoni che devono oscillare e il numero di muoni che dovrebbero effettivamente oscillare durante un esperimento di laboratorio.

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La differenza è abbastanza grande che molti scienziati sono convinti che debbano essere coinvolte particelle o forze che dobbiamo ancora scoprire. In altre parole, questa scoperta è un’ulteriore prova che qualcosa di misterioso potrebbe aver giocato un ruolo nel plasmare il nostro universo – qualcosa di assente dalle attuali regole della fisica.

“A questo proposito, la nuova scala potrebbe essere l’inizio di una rivoluzione nella nostra comprensione della natura”, ha detto a Insider Thomas Tobner, fisico teorico dell’Università di Liverpool e coautore del nuovo studio. È possibile che questo fenomeno sconosciuto sia anche legato alla materia oscura, la misteriosa cugina della materia che è sorta subito dopo il Big Bang e costituisce un quarto dell’universo.

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Spara ai muoni in cerchio alla velocità della luce

Quando i raggi cosmici entrano nell’atmosfera terrestre, creano muoni. Diverse centinaia di muoni ti colpiscono la testa ogni secondo. Possono penetrare cose come i raggi X – alcuni anni fa gli scienziati hanno usato i muoni per scoprire una stanza nascosta nella Grande Piramide d’Egitto – ma le particelle durano solo due milioni di secondi. Quindi si disintegrano in gruppi di particelle più leggere.

Durante la sua breve vita, ogni muone rimane orientato attorno a un punto, proprio come una bussola punta sempre a nord. Ma quando incontra un campo magnetico, la direzione del muone devia leggermente da quel punto. Questa è l’oscillazione critica, nota come fattore g, che lo studio Fermilab sta studiando.

Il gigantesco elettromagnete in viaggio da Long Island, New York, a Batavia, Illinois. Laboratorio nazionale di Brookhaven

Fermilab è un progetto del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, associato all’Università di Chicago, dedicato allo studio della fisica delle particelle. Gli scienziati possono produrre muoni lì da studiare facendo passare un fascio di protoni molto rapidamente attraverso il metallo con un acceleratore di particelle.

Pertanto, i ricercatori dietro il nuovo studio hanno preso questi muoni e li hanno diretti verso un elettromagnete circolare con un diametro di 15 metri. Quindi i muoni hanno viaggiato quasi alla velocità della luce e hanno ruotato attorno al cerchio più di 1.000 volte. Quando i muoni nel dispositivo decadono, i rivelatori ultrasensibili possono misurare la direzione in cui si muovono le piccole particelle risultanti. I fisici possono quindi utilizzare queste informazioni per calcolare la posizione del punto fisso per muone.

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Molti si aspettavano l’elettromagnete a Batavia, Illinois. Riddar Hahn / Fermilab

Dovrebbe essere possibile calcolare la quantità esatta di muoni che oscilleranno utilizzando il modello standard di fisica, che include tutto ciò che sappiamo sul comportamento delle particelle. Ma il team del Fermilab ha scoperto che la loro oscillazione del muone non ha soddisfatto queste aspettative. Al contrario, corrisponde a un terzo di milionesimo di cento.

Questa differenza può sembrare incredibilmente piccola, ma Thomas Teubner ha detto che era, in effetti, un “mentore” della fisica delle particelle. E non è probabile che questo sia il risultato di un errore: il team ha scoperto che c’era solo una possibilità su 40.000 che la differenza nelle loro misurazioni fosse dovuta al caso. “Questa è una forte prova che i muoni sono sensibili a qualcosa che non rientra nelle nostre migliori teorie”, ha detto in un rapporto René Fatemi, uno dei leader dell’esperimento Fermilab Moon. comunicato stampa.

Un puzzle vecchio di 20 anni

Un’immagine catturata dal telescopio spaziale TESS della Grande Nube di Magellano (a destra) e dalla stella luminosa R Doradus (a sinistra), 7 agosto 2018. NASA / Massachusetts Institute of Technology / TESS

Non è la prima volta che i muoni non si sono comportati come previsto dalle migliori teorie scientifiche. Nel 2001, il Brookhaven National Laboratory di New York ha condotto un esperimento simile utilizzando lo stesso gigantesco elettromagnete. Questi risultati hanno anche mostrato che l’oscillazione del muone in vitro stava deviando da quello che avrebbe dovuto essere. Ma questi risultati erano statisticamente meno significativi di quelli per Fermilab: c’era una possibilità su 1.000 di essere incontrati.

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Oggi, i risultati del Fermilab confermano ciò che i fisici di Brookhaven hanno scoperto 20 anni fa – e questo “ha reso la differenza già osservata con l’antica scoperta ancora più interessante”, ha detto Thomas Teubner. Si prevede che Fermilab pubblicherà i dati di due studi simili nei prossimi due anni. Una quarta prova è già in corso e una quinta è in preparazione.

Ciò che colpisce i muoni potrebbe avere qualcosa a che fare con la materia oscura

Due scienziati del Fermilab stanno lavorando a un rilevatore alla ricerca di materia oscura nel 2014. Riddar Hahn / Fermilab

Secondo Thomas Taubner, è possibile che una forza che non fa parte del modello standard della fisica spieghi l’oscillazione del muone. Dice che questa forza potrebbe anche spiegare l’esistenza della materia oscura, e forse anche dell’energia oscura, che gioca un ruolo importante nell’accelerare l’espansione dell’universo. “I teorici troveranno interessante risolvere più di un problema alla volta”, afferma Thomas Teubner.

Ha aggiunto che un’ipotesi che potrebbe applicarsi sia ai muoni che alla materia oscura è che i muoni e tutte le altre particelle hanno particelle partner quasi identiche che interagiscono debolmente con loro. Questo concetto è noto come supersimmetria.

Ma le attuali tecnologie Fermilab non sono abbastanza sensibili per testare questa idea. Inoltre, aggiunge Thomas Teopner, il misterioso effetto sui muoni potrebbe non essere affatto correlato alla materia oscura, il che significa che le regole della fisica sono inadeguate in più di un modo.

Una copia originale: Eileen Woodward / Insider

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