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 Pohl del 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 convenzionale al posto di quello muonico. La misura del raggio del protone si basa sull’analisi di una specifica transizione energetica tra i due stati eccitati 2S 1/2 e 2P 1/2 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 2S 1/2 .

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 2S 1/2 . 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 2P 1/2 . 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.

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