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Quanto è grande un protone? Meno di quanto pensassimo
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protoneStabilire con esattezza le dimensioni del protone si sta rivelando un vero grattacapo per i fisici. I ricercatori dell’Istituto Max Planck di ottica quantistica di Garching, in Germania, affermano su Science di aver misurato con precisione il raggio della particella subatomica con carica positiva, confermando che sia davvero più piccolo di quanto calcolato in precedenza. Scontrandosi appunto con i dati ottenuti attraverso altri metodi di misurazione, questa scoperta alimenta il mistero che avvolge il protone.

Che il protone sia una particella subatomica minuscola non ci sono dubbi: il suo raggio è inferiore a un femtometro, cioè un trilionesimo di millimetro. Il valore riportato sui libri di testo è di 0,88 femtometri. Tuttavia misurazioni più recenti hanno messo in dubbio la validità di questo dato, riportando il valore di 0,83 femtometri – il 4% in meno. Sebbene ai profani possa sembrare un’inezia, conoscere con precisione la dimensioni del protone è importantissimo in termini di elettrodinamica quantistica, cioè per capire il comportamento delle particelle cariche elettricamente.

Il problema che sta facendo scervellare la comunità scientifica sta nel fatto che metodi di misurazione diversi danno risultati non coerenti. Storicamente gli scienziati hanno misurato la dimensione del raggio del protone attraverso due metodologie: sparando degli elettroni contro i protoni e osservando poi come gli elettroni rimbalzino, oppure indirizzando un laser contro gli atomi di idrogeno (un modello per gli esperimenti sulle particelle subatomiche dato che sono costituiti da un solo protone e un solo elettrone) per studiarne i livelli energetici, che sono condizionati dalle dimensioni dei protoni. Le misure del raggio del protone ottenute in questi due modi sono concordi tra loro.

Nel 2010, però, un team di esperti ha utilizzato un metodo alternativo per rendere la misurazione molto più precisa, ricavando le dimensioni del protone dall’analisi dei livelli energetici di atomi di idrogeno muonico – un atomo di idrogeno in cui al posto dell’elettrone c’è un muone, una particella circa 200 volte più pesante. Avvalendosi di questo metodo il protone risulta più piccolo, con un raggio pari a 0,84 femtometri.

La discrepanza già allora aveva gettato scompiglio nella comunità scientifica: qualcuno sosteneva che dipendesse dall’aver utilizzato atomi di idrogeno muonici anziché atomi di idrogeno normali. Proprio quest’ultima spiegazione viene però smentita dalle ultime misurazioni pubblicate su Science dal gruppo guidato dal fisico Lothar Maisenbacher: i ricercatori stavolta hanno utilizzato atomi di idrogeno regolari, confermando le misurazioni ottenute nel 2010.

Ma se non è il muone il responsabile della discrepanza nelle misurazioni, cos’è allora? Il mistero delle dimensioni del protone si infittisce.

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