I ricercatori della York University hanno effettuato una misurazione precisa delle dimensioni del protone, un passo cruciale verso la soluzione di un mistero che ha preoccupato gli scienziati di tutto il mondo negli ultimi dieci anni.

Gli scienziati pensavano di conoscere la dimensione del protone, ma le cose sono cambiate nel 2010, quando un team di fisici ha misurato il valore del raggio protonico come un quattro percento più piccolo del previsto, che ha confuso la comunità scientifica. Da allora, i fisici di tutto il mondo si sono affannati per risolvere il puzzle del raggio protonico, l'incoerenza tra questi due valori del raggio protonico. Questo puzzle è un importante problema irrisolto nella fisica fondamentale di oggi.

Ora, uno studio da pubblicare sulla rivista Scienza trova una nuova misura per la dimensione del protone a 0,833 femtometri, che è poco meno di un trilionesimo di millimetro. Questa misura è circa il cinque percento più piccola del valore del raggio precedentemente accettato da prima del 2010.

Lo studio, guidato da ricercatori della Facoltà di Scienze della York University, presenta una nuova misurazione basata sugli elettroni di quanto si estende la carica positiva del protone, e conferma la scoperta del 2010 che il protone è più piccolo di quanto si credesse in precedenza.

"Il livello di precisione richiesto per determinare la dimensione del protone ha reso questa misurazione la più difficile che il nostro laboratorio abbia mai tentato, ", ha affermato il Distinguished Research Professor Eric Hessels, Dipartimento di Fisica e Astronomia, che ha condotto lo studio.

"Dopo otto anni di lavoro su questo esperimento, siamo lieti di registrare una misurazione così precisa che aiuta a risolvere l'elusivo puzzle del raggio protonico, " disse Hessel.

La ricerca per risolvere il puzzle del raggio protonico ha conseguenze di vasta portata per la comprensione delle leggi della fisica, come la teoria dell'elettrodinamica quantistica, che descrive come la luce e la materia interagiscono.

Hessel, che è un fisico riconosciuto a livello internazionale ed esperto di fisica atomica, afferma che tre studi precedenti sono stati fondamentali nel tentativo di risolvere la discrepanza tra le determinazioni basate su elettroni e muoni della dimensione del protone.

Lo studio del 2010 è stato il primo a utilizzare l'idrogeno muonico per determinare la dimensione del protone, rispetto ai precedenti esperimenti che utilizzavano l'idrogeno normale. Al tempo, gli scienziati hanno studiato un atomo esotico in cui l'elettrone è sostituito da un muone, il cugino più pesante dell'elettrone. Mentre uno studio del 2017 che utilizzava l'idrogeno concordava con la determinazione basata sul muone del 2010 del raggio di carica del protone, un esperimento del 2018, anche usando l'idrogeno, sostenuto il valore pre-2010.

Hessels e il suo team di scienziati hanno trascorso otto anni concentrati sulla risoluzione del puzzle del raggio protonico e sulla comprensione del motivo per cui il raggio del protone assumeva un valore diverso quando misurato con i muoni, piuttosto che gli elettroni.

Il team della York University ha studiato l'idrogeno atomico per comprendere il valore deviante ottenuto dall'idrogeno muonico. Hanno condotto una misurazione ad alta precisione utilizzando la tecnica dei campi oscillatori separati con offset di frequenza (FOSOF), che hanno sviluppato per questa misurazione. Questa tecnica è una modifica della tecnica dei campi oscillatori separati che esiste da quasi 70 anni e ha vinto un premio Nobel a Norman F. Ramsey. La loro misurazione ha utilizzato un raggio veloce di atomi di idrogeno creato facendo passare protoni attraverso un bersaglio di gas idrogeno molecolare. Il metodo ha permesso loro di effettuare una misurazione basata sugli elettroni del raggio del protone che è direttamente analoga alla misurazione basata sui muoni dello studio del 2010. Il loro risultato concorda con il valore inferiore trovato nello studio del 2010.