Sapere Scienza

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Quanto misura il raggio di un protone?

11 Settembre 2019

Se la durata di vita di un neutrone è una questione ancora da risolvere per gli scienziati di tutto il mondo, la misura del raggio del protone non era da meno fino a qualche giorno fa. I fisici della York University di Toronto, in Canada, sono riusciti a trovare la soluzione a uno dei quesiti più discussi della fisica delle particelle e l'hanno pubblicata sulla rivista scientifica Science.

 

Cos'è un protone e perché è importante conoscerne le dimensioni?
 

Il protone è una particella subatomica composta e, insieme al neutrone, costituisce il nucleo degli atomi. Possiede carica elettrica positiva, uguale e di segno opposto a quella dell'elettrone e, rispetto a quest'ultimo, ha una massa quasi 2000 volte superiore. E la sua dimensione? Quanto misura il suo raggio? Questo valore, insieme al momento magnetico anomalo del protone, sono da molto tempo tra gli interessi dei fisici. In particolare, conoscere con precisione il raggio di questa particella fornirebbe un dato utile nella comprensione di leggi della fisica tra cui la teoria dell'elettrodinamica quantistica, che descrive come luce e materia interagiscono.

 

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Il puzzle del raggio del protone

 

Potrete intuire che misurare il raggio di un protone, che è parte del nucleo di un atomo, quindi di un qualcosa di infinitamente piccolo, non sia semplice. Eppure alcuni scienziati ci sono riusciti, ma i loro calcoli sono stati messi in dubbio nel 2010. Ripercorriamo insieme questa vicenda. Per decenni i fisici hanno tentato di dare una stima del raggio del protone impiegando due tecniche. Da un lato c'era la spettroscopia, utilizzata per misurare i livelli energetici degli elettroni che orbitano intorno al nucleo (quello dell'idrogeno, con un solo protone, o nuclei più grandi): la dimensione del nucleo influenza i livelli energetici poiché gli elettroni trascorrono del tempo attraversando il nucleo stesso mentre vi orbitano attorno.
Dall'altro lato, altri scienziati hanno adoperato una tecnica simile a quella che permise a Ernest Rutherford di scoprire per la prima volta i nuclei atomici: colpire degli atomi con un fascio di elettroni veloci e misurare come questi vengano rimbalzati.
Con il passare del tempo la precisione di entrambi gli esperimenti è migliorata e si è arrivati a un valore del raggio del protone pari a circa 0,8768 femtometri (il femtometro equivale a un milionesimo di miliardesimo di metro).
Era stata trovata finalmente la soluzione? Nel 2010, su Nature, è stato pubblicato un articolo che descriveva un nuovo esperimento e un nuovo valore per il raggio del protone. La dimensione era stata ottenuta con un metodo innovativo, misurando le transizioni energetiche non in un atomo di idrogeno "tradizionale" ma in uno muonico, prodotto in laboratorio: nell'idrogeno muonico l'elettrone viene sostituito da un muone, una particella simile ma con una massa 200 volte maggiore. La particella più pesante trascorre più tempo nel nucleo, il che significa che in questo caso la grandezza del protone esercita un effetto maggiore sulle energie del muone e questo, a sua volta, dovrebbe portare a una stima molto più precisa del raggio della particella. Secondo i calcoli, il valore è pari a 0,842 femtometri, il 4% in meno delle misure precedenti.
Questa discrepanza è alla base di quello che viene chiamato il "puzzle del raggio del protone": un dibattito sulla correttezza delle misure, in cui spesso ci si è chiesti se effettivamente elettroni e muoni interagiscano nella stessa maniera con i protoni.

 

Finalmente si è giunti a una soluzione

 

Gli autori dell'articolo del 2010 avevano ragione? La risposta è finalmente arrivata da un team di fisici della York University, che ha pubblicato la soluzione pochi giorni fa su Science. È stato studiato l'idrogeno convenzionale per comprendere il differente valore ottenuto con l'idrogeno muonico. Gli scienziati hanno condotto una misura di alta precisione usando la tecnica dell'interferometria a campi oscillatori separati di Norman F. Ramsey - che a lui valse il Premio Nobel nel 1989 - opportunamente modificata. Nell'esperimento è stato adoperato un fascio di atomi di idrogeno veloci prodotto dal passaggio dei protoni attraverso un target di idrogeno molecolare allo stato gassoso. Questo metodo ha permesso di effettuare una misura del raggio del protone basata sull'elettrone analoga a quella basata sul muone del 2010. Il risultato? Conferma quello pubblicato del 2010, anzi è anche più piccolo: 0,833 femtometri, con un errore di ±0.010 femtometri.
Eric Hessels, professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia della York University e autore dell'articolo ha commentato: "Il livello di precisione richiesto per determinare la dimensione del protone ha reso questa la misura più difficile che il nostro laboratorio abbia mai tentato. Dopo otto anni di lavoro su questo esperimento, siamo lieti di registrare una misura di così alta precisione che ha dato una mano a risolvere l'inafferrabile 'puzzle del raggio del protone'".

 

La storia della fisica delle particelle sa essere avvincente. Scommettiamo? Acquistate e leggete il libro, pubblicato da Edizioni Dedalo, "Oltre l'atomo - Cento anni di particelle" di Mario Grilli, con la prefazione di Carlo Bernardini, e ci darete ragione.

 

Immagine di copertina: Eric Hessels, professore del Dipartimento di Fisica e Astronomia della York University e autore dell'articolo pubblicato su Science. Credits: York University

copertina   settembre-ottobre 2019

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