Deuterone più piccolo di quanto ipotizzato

Il deuterone è un nucleo atomico molto semplice. ? costituito da un solo protone e un solo neutrone, cioè uno dei due elementi costitutivi dei nuclei atomici. Una collaborazione internazionale di ricercatori dell'Istituto Paul Scherrer (PSI) ha misurato il deuterone in modo più preciso che mai. Tuttavia, il raggio del deuterone ottenuto non corrisponde ai valori di altri gruppi di ricerca, ma è significativamente più piccolo.

Nonostante questa contraddizione, c'è anche accordo: lo stesso gruppo di ricerca aveva già misurato singoli protoni con lo stesso metodo nel 2010, e anche allora era stato dimostrato che il protone è più piccolo di quanto ipotizzato. Un'ulteriore valutazione di pagina esternaDati sul protone dal PSI confermato il valore ottenuto nel 2013.

Ora anche il deuterone è più piccolo del previsto. "Nessuno nella comunità ora crede che il nostro metodo, la spettroscopia laser, sia difettoso", dice Aldo Antognini, fisico delle particelle dell'ETH di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer (pagina esternaPSI), naturalmente. E il suo partner di ricerca Randolf Pohl, oggi ricercatore presso l'Università di Magonza, aggiunge: "Dopo l'uscita del nostro primo studio nel 2010, temevo che qualcuno avrebbe rilevato un grosso errore. Ma gli anni sono passati e finora non è successo nulla del genere. E ora il nuovo studio - la misurazione del deuterone - conferma anche il mistero del raggio del protone".

Oltre agli scienziati del PSI, hanno partecipato allo studio ricercatori dell'ETH di Zurigo, dell'Istituto Max Planck di Ottica Quantistica (Germania), ricercatori di Parigi, Coimbra (Portogallo), Stoccarda, Friburgo (Svizzera) e Hsinchu (Taiwan).

Stimolati nuovi esperimenti

I nuovi risultati di ricerca possono aiutare nella ricerca della verità. "Naturalmente non può essere che il deuterone - proprio come il protone - abbia due dimensioni diverse", sottolinea Antognini. Gli scienziati sono quindi alla ricerca di spiegazioni per conciliare i diversi valori.

Una possibile spiegazione è che sia all'opera una forza fisica finora sconosciuta. ? uno scenario entusiasmante per gli scienziati, ma è molto improbabile. La spiegazione più ovvia è un'imprecisione sperimentale. "In effetti, l'enigma potrebbe essere facilmente risolto se ipotizziamo un problema sperimentale minimo con la spettroscopia dell'idrogeno", spiega Antognini. Alcune delle prime misurazioni delle dimensioni del protone e del deuterone si basano su questo metodo.

Un altro metodo per determinare le dimensioni di protoni e deutoni utilizza la diffusione di elettroni. La dimensione dei deutoni misurata con lo scattering di elettroni è effettivamente compatibile con il nuovo valore del gruppo di ricerca del PSI, ma è relativamente imprecisa.

Per risolvere l'enigma del raggio del protone, diversi gruppi di ricerca che utilizzano la spettroscopia dell'idrogeno o lo scattering di elettroni hanno aggiornato i loro esperimenti anni fa per migliorare la precisione. Antognini e Pohl ne sono orgogliosi: "Se i nostri valori fossero stati uguali a quelli precedenti, non ci sarebbe stato questo enigma del raggio del protone; ma non ci sarebbe nemmeno stata questa ondata, che ora ha portato a diversi setup di misurazione di alta precisione in tutto il mondo", dice Pohl. Gruppi di ricerca di Monaco, Parigi e Toronto stanno attualmente determinando valori più precisi utilizzando la spettroscopia dell'idrogeno. I loro risultati sono attesi nei prossimi anni.

Aggiustamento della costante di Rydberg?

Se si scoprisse che la spettroscopia dell'idrogeno fornisce un valore minimamente spostato, ciò significherebbe che la costante di Rydberg dovrebbe essere modificata, spiega Antognini. La costante di Rydberg e il raggio del protone sono quantità strettamente accoppiate. Tra tutte le costanti fisiche, la costante di Rydberg è anche quella che finora è stata determinata con la massima precisione: Si conosce persino la sua undicesima cifra decimale. Tuttavia, a causa del mistero che avvolge il raggio del protone, qualcosa potrebbe ancora cambiare nelle ultime cifre decimali. Questo avrebbe conseguenze per molte aree della fisica e porterebbe a correzioni di altre costanti naturali.

La sorgente di muoni più potente del mondo

Al PSI, i ricercatori hanno determinato le dimensioni del deuterone producendo prima atomi artificiali: il deuterio muonico. Questi atomi hanno un deuterone come nucleo, che è orbitato da un muone.

La sorgente di muoni del PSI è la più potente al mondo nel suo genere. Grazie ad essa è stato possibile incanalare circa 300 muoni al secondo nella camera sperimentale. Lì hanno incontrato il deuterio gassoso, hanno espulso i suoi elettroni e hanno preso il loro posto. Il risultato sono stati atomi di deuterio muonico.

I muoni sono particelle elementari con carica negativa. Sono simili agli elettroni, ma sono circa 200 volte più pesanti di essi. A causa di questa massa maggiore, i muoni si muovono molto più vicino al nucleo atomico e le proprietà delle loro orbite dipendono in misura maggiore dalle dimensioni di questo nucleo.

Questo testo si basa su un pagina esternacomunicato stampa dell'Istituto Paul Scherrer.