La terza e definitiva misura da parte dell’esperimento Muon g-2 di una particolare proprietà del muone, la cosiddetta anomalia magnetica, conferma pienamente le misurazioni precedenti e rafforza il valore della media sperimentale globale. Per molti anni a venire, il valore annunciato oggi rappresenterà la misura più precisa mai eseguita.
Gli scienziati dell’esperimento Muon g-2, ospitato dal Fermi National Accelerator Laboratory del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e condotto da una vasta collaborazione internazionale cui contribuiscono numerosi ricercatori e ricercatrici dell’INFN, hanno annunciato la terza e ultima misura dell’anomalia magnetica del muone. Questo risultato, presentato oggi, 3 giugno 2025, nel corso di un seminario scientifico al Fermilab e inviato alla rivista Physical Review Letters, concorda con quelli pubblicati nel 2021 e nel 2023, ma è ottenuto con una precisione molto maggiore: 127 parti per miliardo – un valore che addirittura supera l’obiettivo del progetto sperimentale originale, pari a 140 parti per miliardo.
I muoni, protagonisti dell’esperimento Muon g-2, sono particelle fondamentali simili agli elettroni, ma circa 200 volte più massicce. Come gli elettroni, essi possiedono la proprietà quantistica chiamata “spin”, che li rende simili a dei piccoli magneti: in presenza di un campo magnetico esterno, eseguono un moto rotatorio detto di precessione, assimilabile a quello di una trottola inclinata rispetto a un asse verticale. La velocità di precessione in un campo magnetico dipende dalle proprietà del muone, descritte da un numero chiamato “fattore g”, a cui quasi 100 anni fa i fisici teorici attribuirono un valore pari a 2 sulla base di quanto descritto dal Modello Standard delle particelle elementari. Ben presto, però, le misurazioni sperimentali dimostrarono che g si discostava leggermente da 2 (era appena più grande), a causa di una quantità nota come anomalia magnetica del muone (aμ), calcolata con (g-2)/2.
Misurare questa anomalia con altissima precisione è l’obiettivo dell’esperimento Muon g-2, che proprio alla formula (g-2)/2 deve il suo nome. L’ultimo valore sperimentale ottenuto dall’esperimento del Fermilab è aμ= 0,001165920705 +/- 0,000000000114 (incertezza statistica) +/- 0,000000000091 (incertezza sistematica) e si basa sull’analisi degli ultimi tre anni di presa dati, dal 2021 al 2023, combinati con i risultati pubblicati precedentemente. La misura tiene conto di una statistica quasi 20 volte più grande rispetto alla prima pubblicazione nel 2021, e conferma, con un’incertezza 4 volte inferiore, il valore del 2021.
“Come è stato per decenni, l’anomalia magnetica del muone continua a essere un banco di prova stringente per il Modello Standard”, commenta Marco Incagli, fisico della Sezione di Pisa dell’INFN e co-spokesperson di Muon g-2. “Il nuovo risultato sperimentale, grazie alla precisione raggiunta, getta nuova luce su questa teoria fondamentale e costituirà il punto di riferimento per qualsiasi calcolo teorico futuro”.
Dall’anomalia magnetica del muone dipendono gli effetti di tutte le particelle del Modello Standard, e una discrepanza dell’esperimento dalla teoria – come quella emersa in passato – potrebbe indicare la presenza di processi fisici non previsti da tale quadro teorico, segnalando la necessità di emendarlo o addirittura superarlo. Naturalmente, la collaborazione internazionale di fisiche e fisici teorici Muon g-2 Theory Initiative ha lavorato in parallelo al gruppo sperimentale per migliorare il calcolo teorico. Alla tecnica fondata sui dati di diversi esperimenti (che ha prodotto valori in contrasto con quelli presentati dal Fermilab), ha da poco affiancato un approccio basato sulla potenza di calcolo. Questa tecnica ha condotto a una previsione teorica che si avvicina alla misura sperimentale, senza però ancora sovrapporsi a essa.
“La Muon g-2 Theory Initiative punta a fornire una previsione teorica sul Modello Standard con una precisione comparabile a quella dei risultati sperimentali, concentrandosi sulle correzioni adroniche, notoriamente difficili da calcolare”, commenta Aida El-Khadra, coordinatrice della Muon g-2 Theory Initiative. “Il nostro White Paper 2025 già documenta progressi notevoli, ma la previsione attuale del Modello Standard è ancora considerevolmente meno precisa del dato sperimentale. La Theory Initiative continuerà a sostenere gli sforzi in corso, che prevediamo raggiungeranno i livelli di precisione necessari per massimizzare l’impatto del programma sperimentale Muon g-2”.
“Grazie alla messa in campo e alla sinergia di competenze diverse – dagli esperti di ottica e laser a quelli di calcolo e analisi –, il gruppo italiano dell’INFN è stato di importanza critica per il successo della misura”, conclude Giovanni Cantatore, fisico dell’Università e della Sezione di Trieste dell’INFN e responsabile del gruppo italiano di Muon g-2.
Oggi l’analisi principale dell’esperimento Muon g-2 è giunta al termine, ma l’ampia collezione di dati raccolta negli ultimi sei anni si presta a ulteriori esplorazioni. In futuro, la collaborazione produrrà misurazioni di una proprietà del muone chiamata momento di dipolo elettrico e testerà una proprietà fondamentale delle leggi fisiche nota come simmetria CTP (carica, tempo, parità).
La collaborazione Muon g-2 è composta da 176 scienziati provenienti da 34 istituzioni di 7 Paesi. Il gruppo italiano dell’INFN ha partecipato attivamente all’esperimento sin dai suoi albori, rivestendo anche ruoli apicali, e ha contribuito su vari fronti al suo successo. Ha progettato e realizzato due sistemi che hanno abbattuto in maniera significativa l’incertezza globale sulla misura dell’anomalia magnetica del muone – un sistema laser di calibrazione assoluta dei calorimetri per le misure di energia e un magnetometro ottico ad alta sensibilità per la misura dei transienti magnetici – e ha preso parte in modo significativo al notevole sforzo di analisi dati che ha condotto al risultato finale.
Risorse
Video sul risultato del 2025 di Muon g-2
Immagini correlate, ©Fermilab
Il risultato del 2023 di Muon g-2
Il risultato del 2021 di Muon g-2
