Quanto è grande un protone?

Uno studio appena pubblicato su Science dimostra che il raggio del protone è molto più piccolo di quanto pensato finora: è pari a 0,83 femtometri

È domanda che attanaglia la mente dei fisici da sempre: quanto è grande un protone? Nessuno lo sa esattamente. Ma ora, un team di ricercatori della York University, in Canada, hanno fatto un importante passo in avanti per riuscire a misurare il raggio di un protone e a risolvere finalmente questo mistero. Conoscere con precisione la dimensioni di questa particella è fondamentale in termini di elettrodinamica quantistica, cioè per capire il comportamento delle particelle cariche elettricamente. Lo studio è stato appena pubblicato su Science.

Fino al 2010, i fisici erano abbastanza sicuri delle dimensioni del raggio di un protone, misurato con atomi di idrogeno, che sono composti da un protone (il nucleo) e un elettrone. Ma proprio in quell’anno, alcuni ricercatori hanno svolto un esperimento servendosi dell’idrogeno muonico, nel quale l’elettrone viene sostituito da un muone (una particella più massiccia dell’elettrone ma con carica uguale), trovando un valore del raggio del protone inferiore del 4%: da 0,87 si è passati a 0,84 femtometri, unità di misura utilizzata per misure atomiche e subatomiche che corrisponde a 10 alla -15 m (milionesimi di miliardesimi di metro).

Ricordiamo che il protone non è una particella fondamentale e non ha quindi una dimensione fisica fissa: la sua superficie, infatti, è determinata da forze e risulta quindi essere “sfumata”. Quindi, la misurazione fatta con atomi di idrogeno muonico “ha portato a domande e speculazioni sul fatto che i muoni interagiscano diversamente con i protoni rispetto agli elettroni”, spiega l’autore dello studio Eric Hessels.

Per misurare il raggio del protone, Hessels e il suo team hanno così sviluppato un nuovo metodo nel quale hanno sottoposto atomi di idrogeno a due serie di onde radio con frequenze leggermente diverse. Un processo che, spiegano i ricercatori, eccita alcuni degli atomi che passano a uno stato di energia superiore. Misurando quanti atomi sono rimasti nello stato di energia inferiore, il team hanno potuto determinare la differenza di energia tra lo stato di energia inferiore originale e quello eccitato.

Ed è proprio quella differenza di energia, ossia la transizione tra due stati energetici, che ha permesso ai ricercatori di ricavare il raggio del protone. Il risultato finale? La misurazione corrisponde a quella dell’idrogeno muonico, confermando quindi che il protone è più piccolo di quanto abbiamo pensato finora, ed è pari a circa 0,83 femtometri. “Ora stiamo svolgendo altri esperimenti che forniranno ulteriori prove del valore del raggio del protone”, conclude Hessels.