Indagare sui Muoni per Capire il Disequilibrio Materia-Antimateria

La ricerca delle ragioni dietro l'imbalance tra materia e antimateria nell'Universo è una grande sfida nella scienza. Sappiamo che questo sbilanciamento porta alla nostra esistenza, ma le teorie attuali, in particolare il Modello Standard della fisica delle particelle, non lo spiegano del tutto. Un'area che i ricercatori stanno esplorando sono i momenti dipolari elettrici (EDM) delle particelle. Se una particella ha un EDM diverso da zero, significa che c'è della fisica nuova oltre a quello che conosciamo.

L'esperimento muEDM al Paul Scherrer Institute (PSI) in Svizzera punta a misurare l'EDM dei Muoni, simili agli elettroni ma più pesanti. L'esperimento usa una tecnica chiamata "spin congelato" che aiuta a misurare effetti microscopici come l'EDM. Immagazzinando i muoni in un campo magnetico e regolando un campo elettrico, i ricercatori possono stabilizzare gli spin dei muoni. Se c'è un piccolo cambiamento nella direzione degli spin, questo suggerisce la presenza di un EDM.

La prima parte dell'esperimento muEDM dovrebbe mostrare i suoi metodi entro il 2026. Questa fase dimostrerà se la tecnica funziona e quanto è sensibile nel rilevare qualsiasi EDM. L'obiettivo finale del progetto è aumentare la sensibilità di un fattore 100 entro i primi anni del 2030.

#L'importanza degli EDM

Trovare un EDM diverso da zero nei muoni o in altre particelle è fondamentale per capire meglio come funziona il nostro Universo. Gli effetti di carica e movimento possono influenzare le particelle a un livello molto piccolo. Il Modello Standard prevede che se la simmetria CP (carica e parità) tiene, allora gli EDM dovrebbero essere estremamente piccoli, quasi zero, nelle particelle fondamentali. Tuttavia, osserviamo che l'Universo non è equilibrato, favorendo la materia rispetto all'antimateria, il che richiede spiegazioni oltre il Modello Standard.

Dagli studi attuali, l'EDM previsto per particelle come il neutrone, l'elettrone e il muone sono molto bassi. L'EDM dell'elettrone è così piccolo che gli scienziati hanno bisogno di setup speciali per cercarlo. L'esperimento muEDM è dedicato alla ricerca di un EDM del muone, e potrebbe fornire intuizioni su nuove fisiche che potrebbero aiutare a spiegare il disguido materia-antimateria osservato nell'Universo.

#La tecnica dello spin congelato

La tecnica dello spin congelato è un modo ingegnoso per misurare l'EDM del muone. I muoni vengono mantenuti in un magnete solenoide dove si muovono in modo controllato. Regolando i campi magnetici ed elettrici, i ricercatori possono minimizzare gli effetti causati dal momento magnetico dei muoni. Questo consente agli scienziati di misurare più accuratamente eventuali cambiamenti residui negli spin dei muoni.

Quando le condizioni sono impostate correttamente, il campo elettrico agisce in modo da mantenere gli spin dei muoni stabili mentre si muovono. Se c'è un momento dipolare elettrico, potrebbe creare un piccolo cambiamento nella direzione dello spin, che può essere rilevato.

Questa tecnica è progettata per osservare effetti minuscoli che accadono nel tempo. Quando i muoni decadono, producono particelle che possono essere tracciate. Analizzando come queste particelle di decadimento si muovono e la loro distribuzione, i ricercatori possono raccogliere dati che potrebbero rivelare l'esistenza di un EDM diverso da zero.

#Progettazione sperimentale

L'esperimento muEDM è organizzato in modo da massimizzare le possibilità di catturare efficacemente i muoni. La struttura PSI ha uno dei fasci di muoni più intensi disponibili. Muoni con specifici livelli di energia saranno portati in un magnete solenoide da tre Tesla. Il design include un campo elettrico che aiuta a mantenere la condizione di spin congelato.

I muoni entreranno nell'area sperimentale attraverso un canale speciale. Questo canale assicura che solo i muoni correttamente allineati vengano catturati nel solenoide. I rivelatori traccieranno i decadimenti dei muoni e i positroni emessi. Questi rivelatori aiuteranno a costruire un quadro accurato su come i muoni si comportano nelle condizioni dell'esperimento.

In una corsa pianificata di un anno, i ricercatori si aspettano di raggiungere un certo livello di sensibilità nella misurazione degli EDM. Questo livello sarebbe molto migliore delle misurazioni attuali, permettendo approfondimenti più profondi sulle proprietà dei muoni.

#Esperimento fase-1

Prima che l'esperimento completo inizi, si svolgerà un esperimento fase-1. Questo test preliminare convaliderà le tecniche e i setup pianificati per l'esperimento principale. Utilizzerà attrezzature esistenti ma a un livello di energia più basso. L'obiettivo è dimostrare che catturare muoni e mantenere le condizioni di spin congelato sia fattibile.

Durante l'esperimento fase-1, i ricercatori utilizzeranno sistemi di rivelatori più semplici per analizzare i dati. Questa fase punta a raggiungere una sensibilità agli EDM che, pur non essendo al massimo delle capacità, sarà comunque competitiva con altri esperimenti in corso.

L'esperimento fase-1 includerà ulteriori rivelatori che aiuteranno a garantire misurazioni accurate e a controllare eventuali incertezze nei dati. Stabilendo che questi metodi possano funzionare efficacemente, l'esperimento aprirà la strada per l'esperimento principale fase-2.

#Conclusione

L'esperimento muEDM rappresenta un passo significativo nella ricerca in corso di risposte riguardo all'imbalance materia-antimateria nell'Universo. Concentrandosi sui momenti dipolari elettrici dei muoni attraverso tecniche innovative, i ricercatori sperano di scoprire nuove intuizioni sulle proprietà fondamentali delle particelle.

Con il progredire del progetto attraverso le sue fasi, punta a stabilire nuovi standard nella sensibilità, fondamentali nella ricerca di nuove fonti di violazione della CP. Se avrà successo, i risultati potrebbero rimodellare la nostra comprensione dell'Universo e le interazioni che lo governano. Le future fasi dell'esperimento promettono scoperte che potrebbero superare le nostre attuali conoscenze e portare a nuove fisiche.