Dieci anni fa, qualsiasi fisico nucleare potrebbe dirti la dimensione approssimativa del protone. Ma questo è cambiato nel 2010, quando i fisici atomici svelarono un nuovo metodo che prometteva una misurazione più precisa. La nuova quantità è aumentata del 4% in meno del previsto, scatenando una mischia all'interno delle comunità di fisica nucleare e atomica per determinare se questo risultato discrepante fosse dovuto a una nuova fisica o un'indicazione di problemi con le estrazioni della quantità dagli esperimenti.

Ora, quattro fisici nucleari, due sperimentali e due teorici, pensano di aver risolto la discrepanza utilizzando dati sperimentali di fisica nucleare e un modello fisico avanzato per ottenere un nuovo valore per la dimensione del protone. Il risultato è stato pubblicato in Revisione fisica C in Aprile.

Prendendo un metro per il protone

Una cosa su cui tutti i metodi concordano è che il protone è minuscolo. Il raggio di carica del protone, che misura la dimensione della distribuzione della carica elettrica nella particella nucleare, è un po' meno di un femtometro, con un singolo femtometro che registra a un quadrilionesimo di metro.

Detto in altro modo, se prendi un metro e dividi la sua lunghezza in un miliardo di pezzi uguali, e poi prendi solo uno di quei pezzi e dividi la sua lunghezza in un altro milione di pezzi, la lunghezza di ognuno di quei milioni di pezzi sarà un femtometro.

Perché è così piccolo, il raggio di carica del protone non può essere misurato direttamente. Anziché, i fisici nucleari e atomici utilizzano metodi sofisticati per determinare la dimensione del protone.

"Fondamentalmente, riguarda l'interazione del protone con i campi elettromagnetici, fa parte di quella che viene chiamata la struttura elettromagnetica del protone, o il fattore di forma del protone, "ha spiegato Christian Weiss, uno scienziato del personale presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento di Energia nel Center for Theoretical and Computational Physics. "Quello che stai misurando è la dimensione della distribuzione spaziale della carica elettrica del protone."

Compagnia di due, Tre è una folla

Circa 30 anni fa, i fisici nucleari e atomici hanno escogitato due metodi diversi per determinare questo raggio di carica elettrica.

I fisici nucleari conducono esperimenti tramite diffusione di elettroni, dove gli elettroni vengono scagliati contro i protoni, e il raggio di carica del protone è determinato dal cambiamento nel percorso degli elettroni dopo che rimbalzano sul protone.

"In un certo senso, l'elettrone si disperde così delicatamente da quel protone, "Ha detto Weiss.

I fisici atomici usano anche gli elettroni per misurare il raggio del protone. osservano, utilizzando la spettroscopia, i livelli di energia degli elettroni mentre orbitano attorno a un piccolo nucleo, come l'idrogeno (con un protone) o il deuterio (con un protone e un neutrone).

Utilizzando questi due diversi metodi, un raggio di circa 0,88 femtometri è stato stabilito come valore mondiale.

Quindi, nel 2010, un team di ricerca sulla fisica atomica ha fatto un annuncio scioccante. In una svolta sul metodo della fisica atomica, il team ha misurato i livelli di energia degli elettroni in orbita attorno agli atomi di idrogeno prodotti in laboratorio che hanno sostituito un elettrone orbitante con un muone. Mentre un muone è della stessa classe di particelle dell'elettrone, ha 200 volte la massa dell'elettrone e quindi orbita molto più vicino al protone. Questa vicinanza significa che il raggio di carica del protone ha un effetto maggiore sulla sua orbita.

Il nuovo, metodo più preciso ha prodotto una misurazione di .84 femtometri, o circa il 4% in meno rispetto al valore mondiale.

Il nuovo risultato ha scatenato una frenesia di attività attorno a un valore che la maggior parte dei fisici pensava fosse già stato stabilito. Sono stati pianificati ulteriori esperimenti di diffusione di elettroni, sono state effettuate ulteriori misurazioni della spettroscopia dell'idrogeno e dell'idrogeno muonico, e la teoria atomica e nucleare furono riesaminate per trovare indizi.

I fisici si affrontano

Qui al Jefferson Lab, i nuovi sforzi hanno galvanizzato una revisione degli esperimenti che sono stati utilizzati per stabilire il valore mondiale e una revisione della teoria nucleare per modi più precisi di esaminare i dati o prevedere il valore dai risultati. Un team di quattro fisici nucleari si è riunito per lavorare sulla scienza alla base della pubblicazione Physical Review C.

Hanno iniziato affrontando una delle preoccupazioni che i fisici nucleari sperimentali avevano riguardo ai dati sulla diffusione degli elettroni:come la quantità per il raggio del protone è stata ottenuta dai dati sperimentali.

"C'è stata una sfida per estrarre il raggio del protone da questi dati di dispersione degli elettroni, poiché gli esperimenti di scattering effettivi richiedono un trasferimento di quantità di moto finito dal protone, " ha spiegato Weiss. "Il numero che ti interessa è la risposta del protone al trasferimento di momento zero, quindi è qualcosa che non è direttamente accessibile."

Anziché, i fisici nucleari analizzano i dati che ottengono dagli esperimenti ai trasferimenti di quantità di moto più bassi e quindi utilizzano una procedura per estrapolare fino a zero. C'è un dibattito in corso, però, su quali trasferimenti di slancio sono ancora rilevanti e come dovrebbe essere effettuata l'estrapolazione.

Due membri del team sono sperimentali:Douglas Higinbotham, uno scienziato del Jefferson Lab, e Zhihong Ye, un ricercatore associato presso Argonne National Lab. Hanno risolto il lato sperimentale della sfida considerando i dati mondiali pre-analisi su un'ampia gamma di trasferimenti di slancio.

Invece di estrapolare dai dati per ottenere un valore, hanno invece tracciato i dati sull'intera gamma di trasferimenti di quantità di moto misurati, tenendo conto che il raggio di carica del protone potrebbe essere uno qualsiasi dei tanti valori possibili.

"Abbiamo appena fissato il raggio nei nostri attacchi e ripetuto l'analisi molti, molte volte, per ogni ragionevole valore del raggio, " disse Higinbotham. "E poi andò dai teorici e chiese loro di generare le curve teoriche per quei raggi, in modo che possiamo confrontare e vedere se c'è accordo."

Gli altri due membri del team di quattro persone sono teorici:Weiss e José Manuel Alarcón, professore di ricerca presso l'Universidad Complutense de Madrid. Hanno lavorato insieme per rafforzare i metodi teorici utilizzati per analizzare il problema.

"Abbiamo usato un particolare metodo teorico chiamato teoria del campo efficace per creare un modello della struttura del protone per come risponde alla diffusione elettromagnetica a trasferimenti a basso momento, " ha spiegato Weiss. "La teoria condensa la struttura rilevante del protone in pochi numeri. E ti permette di prevedere la risposta del protone allo scattering di elettroni a trasferimenti di quantità di moto finita, e come questo è correlato al raggio di carica che vuoi estrarre."

Quando gli sperimentali e i teorici hanno poi confrontato il loro lavoro, hanno scoperto che convergeva su un nuovo valore per il raggio del protone, come mostrato nell'animazione.

"Ciò che è assolutamente bello e sorprendente è quando guardi se c'è un raggio in cui l'adattamento globale e il calcolo teorico coincidono, c'è uno. Sono 0,845 femtometri, " ha detto Higinbotham. "Ed è stranamente coerente con il risultato del raggio muonico e non con molti dei precedenti risultati di estrazione di dispersione di elettroni".

Una finestra sulla nuova fisica

La ricerca per risolvere questa discrepanza non è di oziosa curiosità:il valore di questa quantità ha effetti di vasta portata. Ad esempio, un risultato più preciso può rivelare aree inesplorate della fisica nucleare e delle particelle.

"Può essere una finestra per una nuova fisica. Se non possiamo conciliare diverse misurazioni per il raggio del protone, forse è perché c'è una nuova fisica che non capiamo o che non abbiamo nella nostra teoria. Questo è uno dei motivi per cui questo raggio di protoni è così importante, " ha spiegato Alarcón.

Alla domanda se pensano che questa sia la determinazione finale per questa quantità, tutti e quattro i ricercatori hanno esitato.

"La scienza è un processo di raffinamento successivo di idee e metodi, in cui la nostra attuale comprensione è solo uno stadio da cui passiamo a teorie ed esperimenti più accurati, " disse Weiss.

Per adesso, indicano diversi studi sperimentali recenti che utilizzano tecnologie più recenti per misurare il valore con una precisione ancora maggiore, incluso l'esperimento PRad che ha preso i dati sulla diffusione degli elettroni nella Experimental Hall B del Jefferson Lab nel 2016. Prende il nome dal suo obiettivo:una misurazione sempre più precisa del raggio del protone.

"Il risultato del PRad uscirà quest'anno. Sarà interessante vedere se il nuovo risultato potrà confermare la nostra analisi scientifica, " disse Si.