Muoni sotto esame: da Muon g-2 nuovi limiti sul momento di dipolo elettrico
Roma, 13 agosto 2026 – A un anno dalla misura finale dell’anomalia magnetica del muone, la collaborazione Muon g-2 annuncia oggi, in un paper pubblicato su arXiv e inviato alla rivista Physical Review Letters, la misura di un’altra proprietà della particella, che potrebbe fornire indizi cruciali per comprendere l’asimmetria tra materia e antimateria nell’universo: il momento di dipolo elettrico del muone.
Si tratta della misura diretta più sensibile mai realizzata di questa proprietà, nonché la prima condotta presso il Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti da una vasta collaborazione internazionale cui contribuisce anche l’INFN, e solo la terza a livello mondiale negli ultimi cinquant’anni.
Dopo la prima al CERN nel 1978, e la seconda nell’esperimento Muon g-2 al Brookhaven National Laboratory nel 2009, la nuova misura utilizza il 25% dei dati disponibili al Fermilab – una quantità di dati enormemente superiore a quella di Brookhaven – e raggiunge una sensibilità più di due volte migliore rispetto alla precedente misura a Brookhaven.
Il momento di dipolo elettrico è una proprietà che descrive la separazione tra carica positiva e negativa all’interno di un sistema. Secondo il Modello Standard, le particelle fondamentali come i muoni dovrebbero avere un momento di dipolo elettrico estremamente piccolo, ben al di sotto delle capacità sperimentali attuali. Per questo motivo, un valore diverso da zero costituirebbe un chiaro segnale di nuova fisica. In particolare, implicherebbe la violazione di simmetrie fondamentali, come la simmetria coniugazione di carica-parità (CP), la cui violazione potrebbe contribuire a spiegare uno dei più grandi misteri della cosmologia: perché oggi l’universo è composto quasi esclusivamente da materia ed è praticamente privo di antimateria.
Il risultato ottenuto dalla collaborazione Muon g-2, dμ = (−0,35 ± 0,39) × 10⁻¹⁹ e·cm, è compatibile con un momento di dipolo elettrico pari a zero, e stabilisce un nuovo limite superiore sul valore pari a |dμ| < 1,1 × 10⁻¹⁹ e·cm con un livello di confidenza del 95%, circa 1,5 volte più stringente del precedente limite stabilito a Brookhaven. Per cui, se il momento di dipolo elettrico del muone esiste, deve essere inferiore alla soglia di sensibilità raggiunta dall’esperimento. I prossimi esperimenti – MUEDM al Paul Scherrer Institute (PSI), in Svizzera, e G2JPARC in Giappone, entrambi con la partecipazione dell’INFN – sono progettati per raggiungere una precisione da dieci a cento volte maggiore e verificare se un momento di dipolo elettrico del muone possa emergere al di sotto dell’attuale limite sperimentale.
“La componente italiana della collaborazione ha avuto un ruolo cruciale in questa misura, contribuendo in particolare allo sviluppo delle simulazioni, essenziali per la determinazione delle incertezze sistematiche – commenta Marco Incagli, ricercatore della sezione di Pisa dell’INFN e co-spokesperson di Muon g-2 – Ora attendiamo con grande interesse l’analisi dell’intero campione di dati, che ci consentirà di migliorare la sensibilità della misura di un ulteriore fattore 2”.
L’esperimento Muon g-2, ospitato al Fermilab dal 2008, utilizza un anello di accumulazione magnetico superconduttore di 15 metri di diametro, riadattato da una precedente versione dell’esperimento condotta al Brookhaven National Laboratory. Rispetto all’apparato di Brookhaven, la versione del Fermilab introduce numerosi miglioramenti che consentono misure molto più precise.
Un fascio di antimuoni (o muoni positivi), le controparti di antimateria dei muoni, viene immesso nell’anello, dove le particelle circolano a velocità prossime a quella della luce, per centinaia di volte prima di decadere. I rivelatori disposti lungo l’anello osservano i positroni prodotti dal decadimento, e permettono di determinare la velocità con cui i muoni oscillano in presenza di un campo magnetico. La velocità di questa precessione è collegata al momento di dipolo magnetico del muone, descritto dal “fattore g”, che la teoria prevede essere leggermente maggiore di 2.
Gli stessi dati impiegati per la misura del momento di dipolo magnetico del muone possono essere utilizzati per cercare il momento di dipolo elettrico. Mentre la misura del momento di dipolo magnetico sfrutta l’oscillazione orizzontale del muone causata dal campo magnetico, il momento di dipolo elettrico del muone corrisponde a una componente verticale dell’oscillazione causata da quello che il muone percepisce come un campo elettrico.
La sensibilità a questo effetto è ulteriormente amplificata dal fatto che i muoni viaggiano a velocità relativistiche. A causa della dilatazione temporale prevista dalla relatività di Einstein, la loro vita media di 2,2 microsecondi si allunga di quasi un fattore 30, aumentando il tempo durante il quale la precessione può essere misurata. Nello stesso tempo, il campo elettrico efficace percepito dai muoni risulta amplificato, rendendo Muon g-2 un esperimento particolarmente sensibile a un eventuale momento di dipolo elettrico, pur essendo stato progettato originariamente per misurare il momento di dipolo magnetico.
L’analisi del momento di dipolo elettrico è possibile grazie a due tracciatori installati all’interno dell’anello. Questi tracciatori sono costituiti da 32 strati di sottili tubi di Mylar rivestiti di alluminio, che registrano il passaggio di particelle cariche. Come in un disegno in cui si uniscono i puntini, i loro dati mostrano le posizioni degli antimuoni e dei positroni (antielettroni) prodotti dal decadimento, fornendo una mappa dettagliata del profilo del fascio. Per cercare il momento di dipolo elettrico è essenziale misurare un possibile sbilanciamento tra il numero di positroni emessi verso l’alto e verso il basso: proprio per questo i tracker sono indispensabili per l’esperimento.
La collaborazione Muon g-2 è composta da 176 scienziati e scienziate 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.
