Il 2012 è stato un anno importante per la fisica, per via della scoperta del bosone di Higgs: la particella subatomica alla base della formazione della materia di tutte le altre, ipotizzata fin dal 1964 da Peter Higgs ma finora mai individuata. L’osservazione sperimentale compiuta da due gruppi del Cern con gli esperimenti Atlas e Cms ha mostrato che il “modello standard”, la teoria impiegata per descrivere le particelle subatomiche, è una descrizione molto accurata dei processi elementari. Tuttavia, a pensarci bene, è anche il risultato più ‘noioso’: è come il gol del 2-0 che mette al sicuro il risultato e magari spinge in attacco, ma il gol dell’1-1 avrebbe portato maggior spettacolo. In realtà, la partita è ancora lunga: una équipe multinazionale di ricercatori coordinata dal Politecnico di Zurigo e dall'Istituto di Ottica quantistica del Max Planck Institut a Garching in Baviera ha scoperto che il protone – la particella che da sola costituisce il nucleo dell’idrogeno – è leggermente più piccolo del previsto.
Chiaramente, non si può misurare un oggetto grande (si fa per dire) un miliardesimo di miliardesimo di millimetro con il righello; il protone è anzi talmente piccolo che la luce non riuscirebbe neppure a colpirlo. La soluzione è di cercare di guardare non la luce riflessa dall’oggetto, come facciamo tutti i giorni, ma quella che ne viene emessa. Come? Le lampade al sodio, per esempio, mostrano un particolare colore giallo: questo dipende dal fatto che gli atomi emettono soltanto alcuni colori e non della luce bianca, ossia composta di tutti colori. Nel caso del sodio, il colore più intenso è il giallo, ma, in misura minore, sono presenti anche altri colori. Nel caso dell’idrogeno, il nucleo è costituito soltanto da un protone che, con la sua carica positiva, bilancia la carica dell’unico elettrone dell’atomo. Comprendere quale sia la luce emessa, quindi, porta moltissime informazioni sull’atomo, come la grandezza del suo nucleo.
Nell’esperimento, i ricercatori hanno voluto indagare cosa cambia se si rimpiazza l’elettrone con un suo cugino più pesante, il muone. I colori emessi da questi atomi modificati saranno differenti, ma se, dalle formule complicate che legano il colore emesso alla grandezza del protone, si ricava il valore del suo raggio, questo risultato non dovrebbe cambiare se si usano elettroni o muoni. Invece, il protone sembra dire ‘ne la chiesa coi santi, e in taverna coi ghiottoni’. La misura del raggio del protone dà risultati differenti se misurato nell’atomo elettronico oppure in quello muonico. L’origine di questa discrepanza non è ancora nota: sono state avanzate molte ipotesi, ma molte sono state scartate con osservazioni successive o calcoli più avanzati.
Come anche gli autori osservano, la finestra per cercare della nuova fisica delle interazioni tra particelle elementari è piuttosto ristretta perché esistono numerosi altri dati che invece confermano il quadro di cui disponiamo. Resta che anche l’atomo più semplice, quello di idrogeno, può avere in serbo delle sorprese. Palla al centro.
Marco Barbieri
Fonte: Il Bo, il giornale dell'Università di Padova http://www.unipd.it/ilbo/content/fisica-delle-particelle-il-protone-dell%E2%80%99idrogeno-sorprende