Come si misura la larghezza di un protone?

Un righello non aiuterà e nemmeno un microscopio. Anziché, comporta la distruzione di elettroni in protoni quasi alla velocità della luce, quindi misurando quanto lontano viaggiano gli elettroni quando rimbalzano, o disperso, dai protoni.

Questo metodo è chiamato diffusione di elettroni, e una nuova versione è stata utilizzata per la prima volta al Jefferson Laboratory, fornendo una delle misurazioni più precise di sempre per il raggio di carica di un protone.

I fisici che trascorrono la loro vita esplorando l'universo subatomico affermano che questi risultati avvicinano la scienza alla risoluzione del "puzzle del raggio protonico" o spiegano perché diversi metodi sperimentali nel corso degli anni hanno fornito due misurazioni diverse.

Per molto tempo, il raggio del protone è stato misurato a 0,88 femtometri (fm). Poi nel 2010 è uscito un diverso tipo di esperimento con 0,84 fm, o circa il 4% in meno.

Perché una differenza del 4% su una scala infinitesimale è importante?

Per uno, disse Ashot Gasparian, un professore alla North Carolina A&T State University e leader del gruppo di esperimenti, il protone, che si trova nel cuore dell'atomo, si trova all'intersezione di tre grandi rami della fisica:atomica, nucleare e particellare. Quindi anche una piccola differenza è un grosso problema:alcuni fisici hanno persino ipotizzato che i risultati del 2010 potrebbero segnalare una quinta forza della natura.

E, per un altro, misurazioni più precise delle particelle subatomiche aiutano ad affinare il modello standard della fisica delle particelle, un modello che aiuta a spiegare come funziona l'universo.

Così nel 2012 Gasparian e il suo team hanno lavorato per elaborare un nuovo tipo di esperimento di diffusione di elettroni, il primo nuovo metodo in mezzo secolo, per misurare il raggio del protone. Chiamato l'esperimento PRad, è stata data la massima priorità al Jefferson Lab e al suo potente acceleratore CEBAF.

"La gente cercava risposte, " disse Gasparian. "Ma per fare un altro esperimento di diffusione elettrone-protone, molti scettici non credevano che si potesse fare qualcosa di nuovo".

Ancora, il team ha escogitato tre strumenti e metodi.

Il primo consisteva nell'implementare un nuovo tipo di sistema di destinazione senza finestre che essenzialmente permetteva agli elettroni dispersi di muoversi abbastanza senza soluzione di continuità nei rivelatori.

Il secondo stava usando un calorimetro piuttosto che un tradizionale spettrometro magnetico per rilevare e misurare le energie e le posizioni degli elettroni dispersi, mentre un moltiplicatore di elettroni a gas di nuova costruzione rilevava anche le posizioni degli elettroni con una precisione sempre maggiore.

E il terzo era posizionare questi rivelatori estremamente vicini in una distanza angolare da dove il raggio di elettroni colpiva il bersaglio dell'idrogeno.

"Nella diffusione degli elettroni, per estrarre il raggio, dobbiamo andare a un angolo di dispersione il più piccolo possibile, " disse Dipangkar Dutta, membro del team e professore alla Mississippi State University. "Per ottenere il raggio del protone, devi estrapolare all'angolo zero, a cui non puoi accedere in un esperimento. Quindi più vicino allo zero puoi avvicinarti, meglio è."

La misurazione ottenuta dal team è stata di 0,831 fm, sostanzialmente confermando la misura del 2010. I loro risultati hanno infranto le speranze dei fisici che avevano sognato una quinta forza.

"L'esperimento PRad sembra chiudere la porta a questa possibilità, " disse Dutta. "Questo è ancora da confermare con esperimenti simili, ma in questo momento sembra così."

I loro risultati sono stati pubblicati di recente sulla rivista Natura . Il team sta già lavorando a ulteriori esperimenti al Jefferson Lab per ridurre ulteriormente l'incertezza nel raggio del protone, disse Gaspare. Nel frattempo, alcune altre strutture di fisica nucleare in tutto il mondo stanno facendo lo stesso.

"Se la precisione viene ulteriormente migliorata, "disse Gaspare, "potrebbe mostrare che c'è qualche piccola differenza, e questo sarà molto importante per capire la nuova fisica. Anche, questa stessa tecnica può essere applicata non solo per misurare la dimensione del protone, ma anche per altri tipi di misurazioni in cui saremmo in grado di guardare oltre la fisica del modello standard".

Dove potrebbero condurre un giorno tali sforzi nel mondo reale?

"È molto difficile da prevedere, " disse Dutta. "Perché ogni volta che si fa scienza di base nessuno sa quale sarà l'eventuale applicazione."

Ma ci sono precedenti significativi, Egli ha detto. risonanza magnetica, o scanner per risonanza magnetica, è venuto da qualcuno che cercava di misurare lo spin del protone nella struttura molecolare. transistor al silicio, che ha rivoluzionato l'elettronica, è nato da qualcuno che armeggiava con pezzi di silicio per capire come si comportavano. E le terapie protoniche per curare il cancro sono venute da qualcuno che cercava di misurare come il protone deposita la sua energia mentre passa attraverso i materiali.

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