Il puzzle del raggio del protone può essere risolto

Un mistero lungo quasi un decennio avrebbe potuto sfidare il modello standard. Ma due diverse tecniche ora confermano un valore coerente per il raggio del protone. Quasi un decennio fa, il valore del raggio del protone fu inaspettatamente messo in dubbio. Sebbene il protone non abbia confini definiti, il raggio di carica è ancora ben definito in termini del quadrato medio della radice dell’intervallo di sezioni trasversali visto da altre particelle cariche. Nel 2010 Randolf Pohl del Max Planck Institute of Quantum Optics di Garching, in Germania, e i suoi colleghi hanno misurato il raggio del protone come 0,84 femtometri, che è 5 deviazioni standard inferiori al valore accettato di 0,88 fm.

Da allora, gli studi hanno supportato sia il vecchio valore sia il nuovo, più piccolo, per il raggio di carica. Il disaccordo, noto come puzzle del raggio protonico, ha aperto la possibilità alla nuova fisica di spiegare perché e in quali condizioni il protone potrebbe comportarsi diversamente. Ora due approcci diversi hanno prodotto valori coerenti minori per il raggio del protone e probabilmente risolto il mistero.

Il raggio di carica del protone stabilito è stato trovato attraverso esperimenti elastici di dispersione elettrone-protone e spettroscopia dell’idrogeno. Quest’ultimo si basa sul fatto che gli stati a bassa energia non seguono ciò che ci aspetteremmo dalla legge di Coulomb, in parte perché l’elettrone e il protone possono sovrapporsi spazialmente; tuttavia, sono interessati solo gli stati con l’elettrone e il protone vicini. Misurando la differenza di energia tra uno stato fortemente influenzato e uno relativamente inalterato, ad esempio il cosiddetto spostamento di Lamb tra gli stati 2s e 2p, un ricercatore può determinare il raggio del protone. Ma sia lo spostamento che la componente dovuti all’estensione spaziale del protone sono piccoli.

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Nel 2010 Pohl e i suoi colleghi hanno misurato i livelli di energia nell’idrogeno muonico, un protone orbitato da un muone. Con una massa 207 volte più grande di un elettrone, un muone ha un’orbita più stretta attorno al protone.Il Lambd Shift per l’idrogeno muonico è quindi molto più grande e più facile da misurare con una minore incertezza. Il team di Pohl ha misurato un raggio di protoni di circa 0,84 fm, molto inferiore al valore accettato dalle misurazioni di scattering e spettroscopia su idrogeno (elettronico) normale. I muoni e gli elettroni hanno la stessa carica elettrica e appartengono allo stesso gruppo leptonico, quindi il raggio di carica del protone dovrebbe essere lo stesso nei due sistemi. I risultati hanno aperto la possibilità che i protoni interagiscano diversamente con muoni ed elettroni, un’anomalia che contraddirebbe il modello standard di fisica delle particelle.

Ma uno studio di settembre 2019di Eric Hessels dell’Università di York in Canada e dei suoi colleghi hanno confermato che il raggio del protone è lo stesso per l’idrogeno muonico ed elettronico nelle misurazioni di spettroscopia. Misurarono lo spostamento dell’agnello per l’idrogeno elettronico, una misura analoga a quella di Pohl e dei suoi coautori. Ma richiedeva strategie sperimentali per raggiungere una precisione parti per milione. I ricercatori hanno guidato le transizioni energetiche nell’idrogeno con una serie di campi RF e hanno aggiunto una differenza di fase tra due dei campi. Il risultato è stato una differenza di fase tra il segnale atomico misurato e un segnale di riferimento dall’interferenza dei campi RF. Se la differenza di fase misurata non fosse quella prevista, i ricercatori potrebbero identificare e ridurre tale fonte di errore sistematico. Hanno ottenuto un raggio di protoni di circa 0,83 fm.

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Una sezione dell’esperimento Proton Radius (PRad). Attestazione: PRad Collaboration

Le misure di scattering di elettroni hanno sempre prodotto un valore maggiore per il raggio del protone. Ashot Gasparian della North Carolina A&T State University e i suoi colleghi del Proton Radius (PRad) Experiment presso Thomas Jefferson National Accelerator Facility in Virginia hanno risolto il dilemma finale con un nuovo esperimento in cui gli elettroni si disperdono dai protoni in un gas idrogeno. I ricercatori hanno ridotto lo sfondo non includendo le finestre target, che introducono scattering indesiderato, e hanno scambiato lo spettrometro magnetico tipicamente usato negli esperimenti di scattering elettrone-protone per un calorimetro elettromagnetico, che misura una gamma più ampia di angoli di scattering di soli 0,7 ° e più grandi gamma di trasferimento del momento. Con questi cambiamenti, il team potrebbe misurare simultaneamente lo scattering elettrone-elettrone e utilizzare quel noto processo per normalizzare la sezione trasversale di scattering e ridurre l’incertezza.

Il risultato del raggio PRad, circa 0,83 fm, concorda con il valore minore delle misurazioni muoniche e ora elettroniche della spettroscopia dell’idrogeno. Con ciò, sembra che il puzzle sia stato risolto e la discrepanza era probabilmente dovuta a errori di misurazione. Sfortunatamente, la conclusione non richiede nuova fisica.

Le dimensioni effettive

Alla York University di Toronto, Canada, ce l’hanno fatta. I ricercatori sono riusciti nell’impresa di misurare con precisione inaudita il raggio del protone: 0.833 femtometri. Il risultato, pubblicato oggi su Science, pone la parola fine alla questione sulle dimensioni effettive del protone

Oltre dieci miliardi di volte più piccolo di un capello umano. Per la precisione: 0.833 femtometri – un femtometro equivale a un milionesimo di miliardesimo di metro, ovvero 10-15 metri. È questo il raggio del protone, misurato con estrema precisione da un team di ricercatori della York University di Toronto, in Canada, coordinato dal professor Eric Hessels del Dipartimento di fisica e astronomia.

«Il livello di precisione richiesto per determinare le dimensioni del protone rendono questa la più difficile misurazione mai effettuata nel nostro laboratorio», riferisce Hessels. «Dopo otto anni di lavoro su questo esperimento, abbiamo il piacere di registrare questa misurazione ad altissima precisione che aiuta a risolvere il dilemma dell’elusivo raggio del protone».

Nel 2010, infatti, una ricerca guidata da Randolph Pohldel Max Planck Institute di Monaco e pubblicata su Nature, aveva mandato in crisi la comunità scientifica, aprendo un dibattito noto come il ‘puzzle del raggio del protone’. Storicamente, il raggio del protone era stato misurato con due metodi differenti ed entrambi convergevano verso il valore di 0.877 femtometri. Tuttavia Pohl e colleghi, sfruttando un nuovo metodo basato sull’idrogeno muonico (elemento artificiale composto da un protone e un muone al posto dell’elettrone), avevano trovato un raggio di 0.842 femtometri. La differenza tra queste due quantità è rimasta una questione aperta e dibattuta tra i fisici, che si sono chiesti se elettrone e muone interagiscano in modi diversi con il protone. Ma soprattutto: qual è la misurazione corretta?

La risposta arriva oggi su Science: l’equipe guidata dal professor Hessels ha utilizzato un quarto metodo per la determinazione del raggio del protone, confermando così il risultato del 2010 e, anzi, riducendone ulteriormente le dimensioni.

I ricercatori hanno basato le loro misurazioni sfruttando lo stesso metodo dello studio di Pohl ma utilizzando l’idrogeno convenzionaleal posto di quello muonico. La misura del raggio del protone si basa sull’analisi di una specifica transizione energetica tra i due stati eccitati 2S1/2 e 2P1/2 dell’atomo di idrogeno, il cosiddetto spostamento di Lamb. Secondo le leggi della meccanica quantistica, questi due stati dovrebbero avere la stessa energia. Quello che invece si osserva è uno sbilancio energetico in favore dello stato 2S1/2.

Lo spostamento di Lamb è l’effetto combinato delle dimensioni finite del protone (un elettrone può penetrarvi all’interno), della polarizzazione del vuoto e delle auto interazioni dell’elettrone. Sebbene il contributo del raggio del protone allo spostamento di Lamb sia soltanto dello 0.01 per cento, gli attuali esperimenti sempre più sensibili permettono di distinguerlo dagli altri effetti e quindi ricavarne una misura precisa.

Hessels e collaboratori hanno sfruttato una versione modificata del metodo di interferometria a campi oscillatori separati, sviluppato nel 1949 dal premio Nobel Norman Ramsey. Un raggio di protoni viene fatto transitare a una velocità di circa l’uno per cento della velocità della luce attraverso un gas di idrogeno molecolare. Il contatto tra protoni e gas fa sì che gli atomi di idrogeno raggiungano il livello energetico 2S1/2. Parte di questi vengono deviati verso una serie di cavità a radio frequenze diverse in modo da tenere soltanto quelli che effettuano la transizione verso lo stato 2P1/2. Viene poi misurata la frequenza energetica di tale transizione e da questa dedotto il raggio del protone.

Nonostante il protone sia uno dei mattoni principali dell’universo visibile e gli studi sulle sue caratteristiche siano stati innumerevoli fin dal momento della sua scoperta, molte delle sua proprietà fisiche non sono ancora ben comprese. Tra queste, oltre al raggio, il momento di dipolo magnetico continua a suscitare perplessità all’interno della comunità scientifica per via della sua grandezza anomala. Oggi finalmente una delle due questioni ha trovato una soddisfacente risposta, mettendo la parola fine a un cruccio che affliggeva i fisici da quasi dieci anni.

 

Riferimenti e approfondimenti

  1. Leggi su Science l’articolo “A measurement of the atomic hydrogen Lamb shift and the proton charge radius”, di N. Bezginov, T. Valdez, M. Horbatsch, A. C. Vutha ed E. A. Hessels.

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