Perché è importante conoscerne le dimensioni del protone? Dalle ultime misure risulta più piccolo

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.

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.

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.

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 poco tempo 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 misura più recente

Un nuovo studio condotto presso la Facoltà di accelerazione nazionale Thomas Jefferson del Dipartimento dell’Energia ha confermato che l’aumento del numero di neutroni rispetto ai protoni nel nucleo dell’atomo aumenta anche il momento medio dei suoi protoni. Il risultato della fisica nucleare, che ha implicazioni per la dinamica delle stelle di neutroni, è stato pubblicato sulla rivista Nature .

E’ stata ottenuta la misura più precisa del raggio del protone, che da oggi è come se si fosse ristretto. Gli ultimi dati, pubblicati sulla rivista Nature, mostrano, infatti, un valore più piccolo delle attese, pari a 0.831 femtometri anziché 0,88 femtometri (fm), un sottomultiplo del metro, una cifra decimale con 15 zeri. La misura è stata realizzata dai fisici del Laboratorio nazionale americano Thomas Jefferson (Jefferson Lab), gestito dal Dipartimento per l’energia (Doe) degli Stati Uniti.

Lo studio prevede correlazioni a corto raggio, un fenomeno in cui protoni e neutroni o nucleoni possono accoppiarsi brevemente all’interno del nucleo. Questo breve accoppiamento conferisce ai due partner un grande impulso.

Jefferson Lab
L’esperimento ha avuto luogo nella Sala Sperimentale B. di Jefferson Lab

Ricerche precedenti hanno scoperto che i nucleoni preferiscono accoppiarsi con nucleoni di tipo diverso (ad esempio, i protoni preferiscono i neutroni e viceversa). La ricerca, che ha misurato solo i protoni, aveva anche suggerito che una frazione maggiore di protoni rispetto ai neutroni potrebbe accoppiarsi in nuclei ricchi di neutroni, dando così ai protoni un momento medio più elevato rispetto ai neutroni.

“Ciò che differenzia questo studio dai precedenti è che questa è la prima volta che rileviamo il neutrone”, afferma Meytal Duer, uno studente laureato all’Università di Tel Aviv in Israele, autore principale dell’articolo e che ha guidato lo sforzo di analisi. Includendo il neutrone nello studio, afferma, ha anche permesso ai ricercatori di fisica nucleare di quantificare l’effetto delle correlazioni a corto raggio.

Duer e i suoi colleghi hanno analizzato nuovamente i dati di un esperimento condotto nel 2004. Nell’esperimento, la struttura di acceleratore di fascio di elettroni continuo Jefferson Lab ha prodotto un fascio di elettroni 5,01 GeV per sondare nuclei di carbonio, alluminio, ferro e piombo.

“Quando l’elettrone entra e colpisce il nucleo, abbiamo colpito un protone o un neutrone. Abbiamo rilevato l’elettrone disperso e il protone o neutrone sparsi “, spiega Duer. “Questo è il primo studio per misurare sia i protoni che i neutroni nelle correlazioni a corto raggio e confrontare la frazione di momento elevato portata da ciascuno”.

I ricercatori hanno scoperto che quando hanno confrontato il nucleo più leggero, il carbonio, con i nuclei progressivamente più pesanti e ricchi di neutroni di alluminio, ferro e piombo, la frazione di protoni ad alto momento è aumentata.

“Quando abbiamo il 50% in più di neutroni nel nucleo, abbiamo anche il 50% in più di protoni a momento elevato rispetto a prima”, afferma Or Hen, assistente professore di fisica presso il MIT e portavoce della collaborazione di data mining

Hen spiega che ciò può essere una conseguenza del fenomeno delle preferenze di coppia esibito da correlazioni a corto raggio. Cioè, i protoni e i neutroni preferiscono entrambi accoppiarsi con particelle diverse da loro stesse da 20 a 1. Nei nuclei ricchi di neutroni, i pochi protoni avranno più opportunità di accoppiamento rispetto ai neutroni abbondanti.

“Un risultato principale di questo articolo è che quando il nucleo diventa sempre più ricco di neutroni, la probabilità di accoppiamento dei neutroni si satura, mentre aumenta la probabilità di accoppiamento dei protoni”, afferma.

Lawrence Weinstein, coautore principale e professore ed eminente studioso presso la Old Dominion University, afferma che il risultato di questa preferenza di abbinamento è stato ora confermato e quantificato per la prima volta da questa nuova scoperta.

“Quando si aggiungono neutroni al nucleo, la frazione di neutroni ad alto momento rimane invariata, ma la frazione di protoni ad alto momento aumenta del 50 percento”, afferma. “In altre parole, sembra che quando aggiungi neutroni a un nucleo, fa muovere i protoni più velocemente.”

Il risultato ha anche implicazioni per la dinamica delle stelle di neutroni, che sono costituite da circa il cinque percento di protoni. A causa del loro momento medio elevato rispetto ai neutroni, i protoni possono avere un effetto fuori misura sulla struttura della stella di neutroni. I ricercatori affermano che il prossimo passo è andare avanti con nuovi esperimenti che potrebbero essere in grado di ottenere almeno dieci volte più dati su una più ampia gamma di nuclei, oltre a continuare i loro sforzi per esaminare i dati che sono già stati raccolti per ulteriori approfondimenti in questi misteriosi accoppiamenti di nucleoni e come influenzano la struttura nucleare.

protone

L’analisi è stata condotta nell’ambito del progetto Data Mining di Jefferson Lab Hall B, che è supportato dall’Office of Science del DOE. La ricerca è stata supportata anche dalla National Science Foundation, dalla Israel Science Foundation, dalla cilena Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica, dal Centro francese National de la Recherche Scientifique e dal Commissariato per l’Energie Atomique, lo scambio culturale franco-americano, l’italiano L’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, la National Research Foundation della Corea e il Consiglio delle strutture scientifiche e tecnologiche del Regno Unito.

Scoperto esattamente un secolo fa dal fisico e chimico Ernest Rutherford, Nobel per la chimica nel 1908 e considerato uno dei padri della fisica nucleare, il protone è uno dei costituenti fondamentali dei nuclei atomici. “In passato, negli ultimi dieci anni, erano stati ottenuti dati discordanti sulla misura del suo raggio: un fenomeno che noi fisici chiamiamo puzzle del raggio del protone”, ha spiegato all’ANSA, Omar Benhar, dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Infn).

Adesso, gli scienziati del Jefferson Lab, grazie a una nuova tecnica che sfrutta alcune proprietà degli elettroni, “hanno contribuito a cambiare il quadro, ottenendo la misura più precisa del raggio del protone”, ha sottolineato il fisico dell’Infn. “Si tratta di una misura molto importante. Ma, per avere una soluzione definitiva al puzzle del protone – ha concluso Benhar – sarà necessario comprendere le ragioni delle precedenti discordanze nei dati, a partire dalla possibile esistenza di nuova fisica”.

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