Per decenni, i fisici hanno fissato una minuscola particella subatomica chiamata muone sussurrando eccitati riguardo a una potenziale quinta forza della natura. Ora, un team di ricerca internazionale guidato da un fisico della Penn State ha gettato acqua fredda sull'intera faccenda. I loro risultati, pubblicati sulla rivista Nature, suggeriscono che la discrepanza a lungo osservata nel comportamento magnetico del muone non era affatto un segno di nuova fisica - era solo un problema di matematica.

Il mistero ruotava attorno al muone, una particella di breve durata che è fondamentalmente il cugino più robusto dell'elettrone, pesando circa 200 volte di più. Per oltre 60 anni, le misurazioni del momento magnetico del muone - quanto fortemente si comporta come un minuscolo magnete - sembravano discordare con le previsioni del Modello Standard, il regolamento per tutte le particelle e forze fondamentali conosciute. Questo disallineamento ha fatto sperare tutti in particelle non scoperte o addirittura in una affascinante nuova "quinta forza" oltre le solite quattro.

"Ci sono stati molti calcoli negli ultimi 60 anni circa, e man mano che diventavano sempre più precisi, tutti puntavano verso una discrepanza e una nuova interazione che avrebbe sconvolto le leggi conosciute della fisica," ha detto Zoltan Fodor, illustre professore di fisica alla Penn State e autore principale dello studio. "Abbiamo applicato un nuovo metodo per calcolare questa quantità di discrepanza, e abbiamo mostrato che non c'è. Questa nuova interazione che speravamo semplicemente non c'è. Le vecchie interazioni possono spiegare completamente il valore."

Il team ha trascorso più di un decennio a perfezionare il loro calcolo, portando infine le previsioni teoriche e le misurazioni sperimentali in accordo entro meno di mezza deviazione standard. Il risultato conferma il Modello Standard fino all'undicesima cifra decimale e restringe significativamente le possibilità che fisica sconosciuta si nasconda in questa particolare misurazione.

"La gente mi chiede come ci si sente a fare questa scoperta e, a dire il vero, mi sento un po' triste," ha ammesso Fodor. "Quando abbiamo iniziato a calcolare questa quantità, pensavamo che avremmo avuto un calcolo buono e affidabile per una nuova quinta forza. Invece, abbiamo scoperto che non c'è quinta forza. Abbiamo trovato una prova molto precisa non solo del Modello Standard, ma anche della teoria quantistica dei campi, che è il fondamento su cui è stato costruito il Modello Standard."

La ricerca si è concentrata sul momento magnetico anomalo del muone, o g−2, una minuscola deviazione dal valore atteso di esattamente due. Poiché i muoni sono più pesanti degli elettroni, sono insolitamente sensibili a fugaci effetti quantistici - particelle che appaiono e scompaiono nello spazio vuoto. Esperimenti al CERN negli anni '60 e '70, successivamente al Brookhaven National Laboratory, e più recentemente al Fermi National Accelerator Laboratory hanno tutti misurato questo con notevole precisione, guadagnando il Premio Breakthrough in Fisica Fondamentale. Ma i numeri non hanno mai corrisposto esattamente alla teoria - fino ad ora.

Il mal di testa principale veniva dalla forza forte, la più potente delle quattro forze conosciute, che lega i quark insieme all'interno di protoni e neutroni. A differenza della gravità o dell'elettromagnetismo, la forza forte diventa più forte man mano che le particelle si allontanano - come un elastico che si stringe più lo tiri. Per prevedere accuratamente il comportamento del muone, il team ha utilizzato la cromodinamica quantistica su reticolo, una tecnica computazionale che simula la forza forte su supercomputer dividendo lo spazio e il tempo in una griglia estremamente fine.

"La vecchia metodologia prevedeva la raccolta di migliaia di risultati sperimentali e la loro reinterpretazione per ottenere il singolo numero, il momento magnetico del muone," ha detto Fodor. "Il nostro approccio era completamente diverso. Abbiamo diviso lo spaziotempo in celle molto piccole, un reticolo, poi abbiamo risolto le equazioni del Modello Standard su di esso."

Nell'ultimo decennio, il team ha combinato calcoli su reticolo per distanze corte e medie con misurazioni sperimentali altamente affidabili per distanze maggiori, utilizzando reticoli più fini rispetto a studi precedenti per ridurre l'incertezza. Il calcolo finale rappresenta la determinazione più accurata finora del momento magnetico del muone.