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 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 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. 

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.

“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 UniTS e della Sezione di Trieste dell’INFN e responsabile del gruppo italiano di Muon g-2.

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.

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.