Un team internazionale di scienziati conferma un raggio del [link=http://it.wikipedia.org/wiki/Protone]protone[/link] sorprendentemente piccolo, tramite la spettroscopia laser dell'idrogeno esotico.
I risultati iniziali hanno sorpreso il mondo tre anni fa: la dimensione del protone (precisamente il suo raggio di carica), misurata nell'idrogeno esotico, in cui l'elettrone che orbita il nucleo è rimpiazzato da un muone carico negativamente, ha dato un valore significativamente inferiore a quello di precedenti indagini del normale idrogeno o tramite scattering elettrone-protone. Una nuova misura dello stesso team, conferma il valore del raggio di carica elettrica e rende possibile per la prima volta, determinare il raggio magnetico del protone con la spettroscopia laser dell'idrogeno muonico (Science, 25 gennaio 2013). Gli esperimenti sono stati eseguiti dal Paul Scherrer Institut (PSI) (Villigen, Svizzera), l'unico istituto di ricerca nel mondo a fornire la quantità necessaria di muoni. La collaborazione internazionale ha incluso il Max Planck Institute of Quantum Optics (MPQ) di Garching vicino a Monaco, lo Swiss Federal Institute of Technology ETH Zurich (Svizzera), la University of Fribourg, l'Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) of the Universität Stuttgart e il Dausinger & Giesen GmbH, Stuttgart. I nuovi risultati alimentano il dibattito sul se le discrepanze osservate possano essere spiegate dalla fisica standard, ad esempio una comprensione incompleta degli errori sistematici inerenti a tutte le misurazioni o se siano dovute ad una nuova fisica.
L'atomo di idrogeno ha giocato un ruolo chiave nell'indagine delle leggi fondamentali della fisica. L'idrogeno consiste in un protone singolo carico positivamente, attorno a cui orbita un elettrone carico negativamente, un modello il cui successo nello spiegare i dati della spettroscopia, risale alla sua proposta fatta da Bohr nel 1913. I livelli di energia del più semplice fra gli atomi, possono essere predetti con precisione eccellente dalla teoria della elettrodinamica quantistica. Tuttavia, i calcoli devono tenere conto che, in contrasto con l'elettrone puntiforme, il protone è un oggetto esteso con una dimensione finita, fatto da tre quark legati dai cosiddetti “gluoni”. Quindi, la carica elettrica così come il magnetismo del protone, è distribuita su un certo volume. La natura estesa del protone causa uno spostamento dei livelli di energia nell'idrogeno, di conseguenza il raggio di carica elettrica e magnetica, può essere dedotto da una misurazione degli spostamenti di livello.
Nel 2010, i primi risultati sulla determinazione spettroscopica dello spostamento del cosiddetto livello di energia 2S nell'idrogeno muonico, sono stati pubblicati. Gli atomi esotici sono stati generati bombardando un obiettivo di idrogeno normale con muoni, da un acceleratore presso lo PSI. I muoni si comportano in modo molto simile agli elettroni, a differenza della loro massa: i muoni sono 200 volte più pesanti degli elettroni. L'orbita atomica del muone è quindi più vicina al protone, rispetto all'orbita dell'elettrone in un normale atomo di idrogeno. Questo porta ad una sensibilità molto superiore del livello di energia del muone rispetto alla dimensione del protone e quindi ad uno spostamento più forte dei livelli energetici. Misurare questi spostamenti è tecnologicamente impegnativo: l'idrogeno muonico ha breve vita (i muoni decadono dopo circa due milionesimi di secondo), quindi gli impulsi di luce per l'eccitazione della risonanza, devono essere emessi sull'obiettivo di idrogeno, solo nanosecondi dopo la rilevazione di un muone. La nuova tecnologia laser sviluppata dall'Institut für Strahlwerkzeuge (IFSW) of the Universität Stuttgart, è stata un elemento importante per rispondere a tali richieste. I laser necessari per eccitare la risonanza, sono stati sviluppati dal Max-Planck-Institute of Quantum Optics in cooperazione con il Laboratoire Kastler Brossel (Parigi).
Nell'esperimento descritto nel nuovo articolo pubblicato da Science, lo spostamento di energia è stato determinato per un'altra transizione. Questo porta ad una nuova misura del raggio di carica elettrica del protone. Il suo valore di 0.84087(39) femtometri (1 fm = 0.000 000 000 000 001 metri) è in buon accordo con quello pubblicato nel 2010, ma è 1.7 volte più preciso. La discrepanza con le esistenti misure del raggio nell'idrogeno normale o con scattering elettrone-protone, il cosiddetto puzzle della dimensione del protone, è stata quindi riconfermata. Inoltre, la nuova misura permette una determinazione del raggio magnetico del protone per la prima volta tramite spettroscopia laser dell'idrogeno muonico. Questo fornisce un valore di 0.87(6) femtometri, in accordo con tutte le misure precedenti. Benchè la precisione sia, al momento, dello stesso ordine di altri esperimenti, la spettroscopia laser dell'idrogeno muonico ha il potenziale per una maggior accuratezza nella futura determinazione del raggio magnetico del protone.
I fisici nel mondo stanno cercando attivamente una soluzione al puzzle della dimensione del protone. Precedenti misure nell'idrogeno normale e con scattering elettrone-protone vengono nuovamente analizzate e persino ripetute. I teorici di varie discipline, hanno suggerito varie spiegazioni per spiegare la discrepanza. Proposte molto interessanti, la spiegano con una fisica che va oltre il modello standard. Altre spiegazioni suggeriscono una struttura del protone di complessità superiore rispetto a quella considerata attualmente, che si rivela solo con l'influenza del muone pesante. Sono necessarie nuove misurazioni per verificare queste possibilità. Gli esperimenti di scattering muone-protone vengono sviluppati presso il PSI, vengono considerate nuove misure di precisione presso l'acceleratore di Mainz e il team del PSI pianifica di misurare, per la prima volta in assoluto, la spettroscopia laser dell'atomo di elio muonico, entro quest'anno. Le modifiche richieste del sistema laser vengono studiate per il progetto “Thin-disk laser for muonic atoms spectroscopy”, che (finanziato dalla Swiss National Science Foundation (SNSF) e dal Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG)), che è sviluppato presso l'ETH Zürich (Prof. Dr. Klaus Kirch, Dr. Aldo Antognini) e l'IFSW (Prof. Dr. Thomas Graf, Dr. Andreas Voß). Il progetto “Muonic Helium” è anch'esso supportato generosamente dall'European Research Council (ERC) con un ERC Starting Grant ottenuto dal Dr.Randolf Pohl del MPQ di Garching.
Testo: Max Planck Institute of Quantum Optics/Olivia Meyer-Streng
Tradotto da Richard per Altrogiornale.org
Fonte: http://www.psi.ch/media/proton-size-puzzle-reinforced