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martedì, Nov 19

Ottenuta la misura più precisa del raggio di una grande un protone


Con nuove tecniche i ricercatori del Jefferson Lab hanno aggiunto un tassello al “puzzle del raggio del protone” che dal 2010 sfida gli scienziati

protone
(Getty Images)

0,000000000000000831 metri: ecco la misura più precisa mai ottenuta del raggio di un protone. Decisamente piccolo (quelli sono sedici zeri) e persino più piccolo di quanto si immaginasse fino a qualche tempo fa: 0,88 femtometri – milionesimo di miliardesimo di metro. Non è la prima volta che si arriva a questa misurazione, anzi almeno da un paio di anni, ma grazie a una tecnica peculiare i fisici del Jefferson Lab sono giunti a una precisione mai conosciuta prima, confermando dunque la micromisura del raggio del protone. Lo studio è stato pubblicato su Nature.

Come misurare?

Il problema della misura del raggio del protone è aperto da tempo. Storicamente lo si riteneva grande per l’appunto 0,88 femtometri. Per ottenerne la dimensione si poteva o sparare elettroni contro i protoni e osservarne il rimbalzo, oppure puntare un laser contro un atomo di idrogeno (costituito da un solo protone e un solo neutrone) e studiarne i livelli energetici, determinati dalle dimensioni del protone. Ma alcune recenti misurazioni hanno cominciato a mostrare delle discrepanze, diminuendone le dimensioni del 4%.

La prima nel 2010. Alcuni ricercatori tedeschi avevano sparato il laser su un atomo di idrogeno muonico, cioè che al posto degli elettroni ha delle particelle più pesanti, chiamate muoni. È la misura era di 0,84 fm, abbastanza vicino.

Il puzzle del raggio del protone

Ora, le difficoltà di determinare una misura precisa sono anche dovute al fatto che il protone non ha una vera dimensione fisica fissa, perché non si tratta propriamente di un oggetto definito nello spazio: al contrario, il suo volume e la sua superficie (come quelle di ogni particella quantistica) sono delocalizzate nello spazio e determinate dall’interazione delle forze che vi si esercitano. In questo caso, si credeva che la discrepanza tra le misurazioni fosse dovuta alla diversa interazione tra protoni e muoni rispetto a quella tra protoni ed elettroni.

Ma, rifatto l’esperimento sette anni dopo su atomi “normali” di idrogeno, è arrivata la conferma. Questo settembre invece un’equipe della canadese York University ha bombardato un atomo di idrogeno con due serie di onde radio a frequenze diverse, capaci di eccitare alcuni atomi più altri meno. Misurando la differenza di energia tra lo stato di energia degli atomi eccitati e quello inferiore, hanno di nuovo confermato la lunghezza del raggio protonico.

La disputa, che gli esperti chiamano “puzzle del raggio protone”, potrà sembrarci ininfluente, dopotutto parliamo di 0,88 fm o 0,83 fm, ma conoscere le dimensioni del protone è fondamentale per comprendere il comportamento di particelle cariche, fondamentale dunque in elettrodinamica quantistica.

Nuove tecniche, nuove stime

“Ma – racconta Ashot Gasparian che ha condotto la squadra del Jefferson Lab – se vuoi arrivare a qualcosa di nuovo, devi avere nuovi strumenti e nuovi metodi. E questo è quello che abbiamo fatto”.

Gli scienziati hanno così accelerato gli elettroni, liberi di bombardare un gas di idrogeno raffreddato. Inoltre per misurare i livelli energetici al posto della spettrometria magnetica hanno usato due detector differenti di cui un calorimetro e, ultima grande novità, li hanno posti a distanza angolare molto ravvicinata da dove il fascio di elettroni colpiva l’idrogeno. E così si è giunti alla misurazione finora più precisa di sempre: 0,831 fm.

Fine del puzzle?

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