{"id":3106,"date":"2021-06-11T11:30:28","date_gmt":"2021-06-11T09:30:28","guid":{"rendered":"https:\/\/wpress.ca.infn.it\/?p=3106"},"modified":"2021-06-11T11:56:18","modified_gmt":"2021-06-11T09:56:18","slug":"la-misura-del-momento-magnetico-anomalo-del-muone-svela-lesistenza-di-una-possibile-nuova-forza-della-natura","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/wpress.ca.infn.it\/?p=3106","title":{"rendered":"La misura del momento magnetico anomalo del muone svela l\u2019esistenza di una possibile nuova forza della natura"},"content":{"rendered":"\n

Un nuova ricerca trainata dai ricercatori della sezione INFN di Cagliari svela l’esistenza di una possibile nuova forza della natura nella misura del momento magnetico anomalo del muone effettuata dalla collaborazione Muon g-2 al Fermilab. <\/em><\/p>\n\n\n\n

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Rappresentazione schematica dei contributi addizionali del bosone Z oscuro ai diagrammi del momento magnetico anomalo del muone e della violazione di parit\u00e0 nel cesio atomico (immagine con cortesia degli autori).<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Che in natura ci siano quattro forze fondamentali ci sembra un dato di fatto. Gravit\u00e0, forza nucleare forte, forza elettrica e forza debole sono i capisaldi su cui i fisici costruiscono le teorie e gli esperimenti per indagare come \u00e8 fatto il nostro universo. Eppure, la natura non smette mai di sorprenderci, e mette costantemente alla prova le nostre convinzioni. <\/p>\n\n\n\n

Esiste una propriet\u00e0 delle particelle, denominata “momento magnetico”, che \u00e8 associata alle caratteristiche intrinseche dei costituenti infinitesimi della materia (si pensi alle particelle cariche come a delle trottole che a causa della rotazione generano un campo magnetico, a cui si pu\u00f2 associare, appunto, un momento magnetico). Tale propriet\u00e0 \u00e8 stata predetta negli anni ’20 del secolo scorso, e i fisici hanno passato gli ultimi 90 anni a migliorare le misure per via di una discrepanza tra il valore predetto dalla teoria e quello trovato sperimentalmente. <\/p>\n\n\n\n

Sembra che alcune particelle come i muoni<\/strong>, sfuggano alle leggi della meccanica quantistica e si comportino in maniera differente rispetto agli elettroni, ad esempio, particelle facenti parte della stessa famiglia (i leptoni). Si parla dunque di momento magnetico anomalo<\/strong> del muone, in virt\u00f9 del fatto che la misura di questa quantit\u00e0 sembra essere in contrasto con le predizioni della meccanica quantistica. Quando le discrepanze sono significative, \u00e8 legittimo pensare che esistano nuove leggi fondamentali che regolano i fenomeni naturali osservati, con annesse nuove particelle mediatrici della forza che si esercita durante l’interazione tra i costituenti fondamentali della materia. Tali particelle non sono previste dal modello standard – il vocabolario con il quale costruiamo il linguaggio della materia – ed \u00e8 dunque necessario indagare a fondo nei meandri della teoria per ottenere una spiegazione convincente delle anomalie misurate dagli esperimenti. <\/p>\n\n\n\n

Un nuovo lavoro di ricerca a firma della collaborazione tra i ricercatori Matteo Cadeddu<\/strong> (INFN di Cagliari), Francesca Dordei<\/strong> (INFN Cagliari), Nicola Cargioli<\/strong> (Universit\u00e0 di Cagliari e INFN Cagliari), Carlo Giunti<\/strong> (INFN Torino) e Emmanuele Picciau<\/strong> (Universit\u00e0 di Cagliari e INFN Cagliari), svela che la nuova misura del momento magnetico anomalo del muone <\/strong>effettuata dalla collaborazione “Muon g-2” al Fermilab, unitamente alle determinazioni della cosiddetta carica debole degli atomi di cesio e dei protoni<\/strong>, \u00e8 compatibile con l\u2019esistenza di un nuovo bosone mediatore<\/strong>, chiamato bosone Z oscuro, di una forza simile a quella<\/strong> elettrodebole<\/strong>. Il nuovo bosone interagisce con le particelle cariche elettricamente come il fotone e con la carica debole come il pi\u00f9 noto bosone Z, ma in entrambi i casi l\u2019interazione risulta decisamente pi\u00f9 piccola rispetto a quella del modello standard delle particelle elementari.<\/p>\n\n\n\n

Secondo gli autori, che vedranno presto pubblicato il lavoro nella rivista Physical Review D Letter [1], la discrepanza pari a 4.2 deviazioni standard tra la predizione teorica [2] e la nuova misura [3] della quantit\u00e0 nota con il nome di \u201cmomento magnetico anomalo del muone\u201d, ha rafforzato la necessit\u00e0 di estendere il modello standard delle particelle elementari. Infatti questa discrepanza pu\u00f2 essere spiegata invocando l\u2019esistenza di nuovi mediatori molto pesanti e fortemente interagenti con le particelle note, oppure attraverso nuovi mediatori leggeri e poco interagenti con il nostro mondo [4].<\/p>\n\n\n\n

In questa seconda categoria, il cosiddetto fotone oscuro<\/strong>, una versione pesante del pi\u00f9 noto fotone, ha goduto di una popolarit\u00e0 crescente negli ultimi decenni che per\u00f2 \u00e8 scemata negli ultimi anni a causa dei susseguenti vincoli sperimentali che hanno ridotto lo spazio dei parametri necessario affinch\u00e9 tale bosone rappresenti la spiegazione ultima per il momento magnetico anomalo del muone [5]. Tuttavia se il fotone oscuro si comportasse un po\u2019 pi\u00f9 similmente ad un’altra particella del modello standard, il bosone massivo Z, allora non solo darebbe luogo a nuovi fenomeni da esplorare sperimentalmente, ma inoltre aiuterebbe ad evadere alcuni dei vincoli sperimentali appena menzionati <\/strong>[6].<\/p>\n\n\n\n

Gli autori hanno derivato dei limiti sul modello teorico del bosone Z oscuro combinando le informazioni sperimentali sul momento magnetico anomalo del muone [3], una rideterminazione di quello dell\u2019elettrone [7], insieme alle misure sulla carica debole dei protoni [8] e del cesio [9] che sono sensibili agli effetti di violazione di parit\u00e0. La misura sul cesio \u00e8 stata poi rivisitata, traducendo la recentissima misura del raggio nucleare dei neutroni del piombo ad opera della collaborazione PREX [10] in una misura del raggio nucleare dei neutroni del cesio. L\u2019analisi combinata suggerisce l\u2019esistenza di un bosone Z oscuro con una massa di circa 50 MeV\/c2<\/sup>\u00a0<\/strong>(100 volte pi\u00f9 massivo di un elettrone) e con un\u2019interazione elettromagnetica circa 500 volte meno intensa di quella del fotone<\/strong>. Questo nuovo mediatore causerebbe un\u2019interessante modifica del valore a basse energie del cosiddetto angolo di Weinberg [5, 11], un parametro fondamentale della teoria elettrodebole del modello standard. Misure pi\u00f9 precise di questo parametro sono quindi fondamentali per questa ricerca.<\/p>\n\n\n\n

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Variazione dell\u2019angolo di Weinberg in presenza di un bosone Z oscuro leggero (immagine con cortesia degli autori).\u00a0<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

A questo scopo, il futuro sembra roseo in quando due esperimenti, P2 [12] e MOLLER [13], si accingeranno a misurare la carica debole del protone e dell\u2019elettrone. Questo, assieme agli aggiornamenti previsti sulla predizione teorica e sulla misura sperimentale di g-2 aiuteranno a fare luce su questa affascinante estensione del modello standard, confermando o rigettando la possibile esistenza di nuovi mediatori di forza leggeri.<\/p>\n\n\n\n

Referenze<\/strong><\/h2>\n\n\n\n

[1] Cadeddu et al., \u201cMuon and electron g-2, proton and cesium weak charges implications on dark Zd models\u201d, In pubblicazione come Lettera sulla rivista Physical Review D, https:\/\/arxiv.org\/abs\/2104.03280<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

[2] T. Aoyama\u00a0et al.<\/em>, \u201cThe anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model,\u201d\u00a0Phys. Rep. 887,1 (2020).<\/p>\n\n\n\n

[3] B. Abi\u00a0et al.<\/em>\u00a0(Muon g-2 Collaboration), \u201cMeasurement of the positive muon anomalous magnetic moment to 0.46 ppm,\u201d\u00a0Phys. Rev. Lett.\u00a0126, 141801 (2021)<\/a>. Vedi anche\u00a0http:\/\/gallery.media.inaf.it\/main.php\/v\/video\/servizi\/20210408-muon-g-2.mp4.html<\/a>.<\/p>\n\n\n\n

[4] P. Fayet, U-boson production in\u00a0e+e\u2212\u00a0annihilations,\u00a0\u03c8\u00a0and\u00a0\u03a5\u00a0decays, and light dark matter Physical Review D 75, 115017 (2007); H. Davoudiasl, H.S. Lee, and W. J. Marciano \u201cDark\u00a0Z\u00a0implications for parity violation, rare meson decays, and Higgs physics,\u201d Phys. Rev. D\u00a085, 115019 (2012).<\/p>\n\n\n\n

[5] J.\u2009P. Lees\u00a0et al.<\/em>\u00a0(BaBar Collaboration), \u201cSearch for Invisible Decays of a Dark Photon Produced in\u00a0e+e\u2212\u00a0Collisions at\u00a0BaBar,\u201d\u00a0<\/em>\u00a0Phys. Rev. Lett.\u00a0119, 131804. Vedi anche,\u201dtace il lato oscuro della forza (elettromagnetica)\u201d, https:\/\/www.media.inaf.it\/2017\/11\/09\/fotoni-oscuri-babar\/.<\/p>\n\n\n\n

[6] H. Davoudiasl, H.S. Lee, and W. J. Marciano, \u201cMuon Anomaly and Dark Parity Violation,\u201d Phys. Rev. Lett.\u00a0109, 031802 (2012) and Phys. Rev. D 92, 055005 (2015).<\/p>\n\n\n\n

[7] L. Morel et al., \u201cDetermination of the fine-structure constant with an accuracy of 81 parts per trillion,\u201d Nature 588, 61 (2020).<\/p>\n\n\n\n

[8] D. Androic et al. (Qweak), \u201cPrecision measurement of the weak charge of the proton\u201d Nature 557, 207 (2018).<\/p>\n\n\n\n

[9] P. Zyla et al. (Particle Data Group), PTEP 2020, 083C01 (2020);  C. S. Wood et al, Science 275, 1759 (1997), J. Guena, M. Lintz, and M. A. Bouchiat, Phys. Rev. A 71, 042108 (2005). M. Cadeddu and F. Dordei, \u201cReinterpreting the weak mixing angle from atomic parity violation in view of the Cs neutron rms radius measurement from COHERENT,\u201d Phys. Rev. D 99, 033010 (2019).<\/p>\n\n\n\n

[10] D. Adhikari et al.<\/em> (PREX Collaboration), \u201cAccurate Determination of the Neutron Skin Thickness of 208Pb through Parity-Violation in Electron Scattering\u201d, Phys. Rev. Lett. 126, 172502 (2021); Vedi anche Misurata la pelle di neutroni, https:\/\/www.media.inaf.it\/2021\/04\/29\/guscio-neutroni-piombo\/<\/p>\n\n\n\n

[11] J. Erler and  M. J. Ramsey-Musolf<\/a>, \u201cWeak mixing at low energies,\u201d Phys. Rev. D 72 073003 (2005); J. Erler and R. Ferro.Hern\u00e1ndez, \u201cWeak mixing angle in the Thomson limit,\u201d JHEP 03, 196 (2018).<\/p>\n\n\n\n

[12] D. Becker et al., \u201cThe P2 experiment,\u201d Eur. Phys. J. A 54, 208 (2018).<\/p>\n\n\n\n

[13] J. Benesch<\/a> et al, \u201cThe MOLLER Experiment: An Ultra-Precise Measurement of the Weak Mixing Angle Using M\u00f8ller Scattering,\u201d arXiv:1411.4088<\/a>.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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