20 luglio 2017

La misteriosa perdita di massa del protone

Uno studio sperimentale ha ricavato una nuova stima della massa del protone, risultata più piccola del valore attualmente accettato dalla comunità scientifica. Il risultato potrebbe avere interessanti ricadute per lo studio delle asimmetrie tra materia e antimateria(red)

 

Una nuova misurazione sul protone ha rilevato che la massa di questa particella, presente nel nucleo di tutti gli elementi chimici, è più piccola rispetto a quanto stimato finora. La scoperta, opera di Sven Sturm e colleghi del Max-Planck-Institut per la fisica nucleare a Heidelberg, in Germania, è stata pubblicata su su “Physical Review Letters”.

In genere le misurazioni di precisione del protone sono effettuate con una trappola di Penning, un apparato sperimentale che combina campi elettrici e magnetici. Quando è posto in una trappola del genere, il protone oscilla avanti e indietro, trascinato dal campo elettrico, mentre segue un cammino a spirale attorno all’asse del campo magnetico. Proiettato su un piano ortogonale a quest’asse, il cammino è circolare, e gli strumenti possono rilevare la frequenza con cui il protone lo percorre, chiamata frequenza di ciclotrone, che dipende dal rapporto tra carica elettrica e massa del protone stesso.

Una volta ottenuto questo parametro, la stima della massa si ricava per confronto con uno ione di riferimento, ovvero una specie atomica elettricamente carica, di cui è nota la massa in termini di unità di massa atomica; quest’ultima è definita come un dodicesimo della massa dell’atomo di carbonio (in questo caso i ricercatori hanno usato il carbonio 12C6+, cioè ionizzato sei volte).

Oltre a questo apparato sperimentale di base, gli autori hanno introdotto alcuni accorgimenti per ridurre il rumore dovuto all’instabilità del campo elettrico e magnetico; hanno diminuito l’intervallo di tempo tra la misurazione del protone e quella dello ione, utilizzando sistemi d’immagazzinamento separati per ciascuna particella. Inoltre, hanno aumentato la sensibilità del sistema includendo rivelatori del moto separati per protoni e ioni.

La misteriosa perdita di massa del protone
Confronto tra la massa del protone e quella del 12C6+, cioè carbonio ionizzato sei volte, in una illustrazione (Credit: Gernot Vogt/Max Planck Institute for Nuclear Physics)

Si è così arrivati a un risultato straordinario in termini di precisione: l’errore è stato ridotto a meno di 32 parti per mille miliardi, cioè stata ottenuta una misurazione tre volte più precisa rispetto alle misurazioni precedenti. Ma il risultato saliente è che il valore stimato per la massa del protone, trovato con differenti tipi di ioni, verificato mediante diversi controlli incrociati, è più basso per più di tre deviazioni standard dall’attuale valore CODATA (Committee on Data for Science and Technology): ciò significa in sostanza che la nuova stima è più piccola e ben lontana dal valore medio, accettato dalla comunità scientifica, ottenuto con diverse misurazioni.

Che cosa cambierà con la “perdita di peso” del protone? Le potenziali ricadute riguardano per esempio la comprensione di informazioni fondamentali sui costituenti della materia, come le possibili differenze tra l’idrogeno e la sua controparte di antimateria; una sua volta, un traguardo simile potrebbe essere cruciale per spiegare uno dei grandi misteri della fisica, e cioè per quale motivo nell’universo la materia ordinaria è infinitamente più abbondante dell’antimateria.

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