In esperimenti al Paul Scherrer Institute PSI, una collaborazione di ricerca internazionale ha misurato il raggio del nucleo atomico di elio cinque volte più precisamente che mai. Con l'aiuto del nuovo valore, le teorie fisiche fondamentali possono essere verificate e le costanti naturali possono essere determinate in modo ancora più preciso. Per le loro misurazioni, i ricercatori avevano bisogno di muoni:queste particelle sono simili agli elettroni ma sono circa 200 volte più pesanti. PSI è l'unico sito di ricerca al mondo in cui vengono prodotti abbastanza cosiddetti muoni a bassa energia per tali esperimenti. I ricercatori stanno pubblicando i loro risultati oggi sulla rivista Natura .

Dopo l'idrogeno, l'elio è il secondo elemento più abbondante nell'universo. Circa un quarto dei nuclei atomici formatisi nei primi minuti dopo il Big Bang erano nuclei di elio. Questi sono costituiti da quattro elementi costitutivi:due protoni e due neutroni. Per la fisica fondamentale, è fondamentale conoscere le proprietà del nucleo di elio, tra l'altro per capire i processi in altri nuclei atomici che sono più pesanti dell'elio. "Il nucleo di elio è un nucleo molto fondamentale, che si potrebbe definire magico, "dice Aldo Antognini, fisico al PSI e all'ETH di Zurigo. Il suo collega e coautore Randolf Pohl dell'Università Johannes Gutenberg di Magonza in Germania aggiunge:"Le nostre precedenti conoscenze sul nucleo di elio provengono da esperimenti con gli elettroni. Al PSI, però, abbiamo sviluppato per la prima volta un nuovo tipo di metodo di misurazione che consente una precisione molto migliore."

Con questo, la collaborazione di ricerca internazionale è riuscita a determinare la dimensione del nucleo di elio circa cinque volte più precisamente di quanto fosse possibile nelle misurazioni precedenti. Il gruppo pubblica oggi i suoi risultati sulla rinomata rivista scientifica Natura . Secondo le loro scoperte, il cosiddetto raggio medio di carica del nucleo di elio è di 1.67824 femtometri.

"L'idea alla base dei nostri esperimenti è semplice, " spiega Antognini. Normalmente due elettroni carichi negativamente orbitano attorno al nucleo di elio caricato positivamente. "Noi non lavoriamo con atomi normali, ma con atomi esotici in cui entrambi gli elettroni sono stati sostituiti da un singolo muone, " dice il fisico. Il muone è considerato il fratello più pesante dell'elettrone; gli somiglia, ma è circa 200 volte più pesante. Un muone è molto più fortemente legato al nucleo atomico di un elettrone e lo circonda in orbite molto più strette. Rispetto agli elettroni, è molto più probabile che un muone rimanga nel nucleo stesso. "Quindi con l'elio muonico, possiamo trarre conclusioni sulla struttura del nucleo atomico e misurarne le proprietà, "Spiega Antognini.

muoni lenti, sistema laser complicato

I muoni sono prodotti al PSI utilizzando un acceleratore di particelle. La specialità della struttura:generare muoni a bassa energia. Queste particelle sono lente e possono essere fermate nell'apparato per esperimenti. Questo è l'unico modo in cui i ricercatori possono formare gli atomi esotici in cui un muone lancia un elettrone fuori dalla sua orbita e lo sostituisce. muoni veloci, in contrasto, volerebbe proprio attraverso l'apparato. Il sistema PSI fornisce più muoni a bassa energia rispetto a tutti gli altri sistemi comparabili in tutto il mondo. "Ecco perché l'esperimento con l'elio muonico può essere condotto solo qui, "dice Franz Kottmann, che da 40 anni porta avanti gli studi preliminari e gli sviluppi tecnici necessari per questo esperimento.

I muoni hanno colpito una piccola camera piena di gas elio. Se le condizioni sono giuste, viene creato l'elio muonico, dove il muone si trova in uno stato energetico in cui spesso rimane nel nucleo atomico. "Ora entra in gioco la seconda componente importante per l'esperimento:il sistema laser, " spiega Pohl. Il complicato sistema spara un impulso laser al gas elio. Se la luce laser ha la giusta frequenza, eccita il muone e lo fa avanzare ad uno stato energetico superiore, in cui il suo percorso è praticamente sempre al di fuori del nucleo. Quando cade da questo allo stato fondamentale, emette raggi X. I rilevatori registrano questi segnali a raggi X.

Nell'esperimento, la frequenza del laser viene variata fino all'arrivo di un gran numero di segnali a raggi X. I fisici parlano poi della cosiddetta frequenza di risonanza. Con il suo aiuto, poi, si può determinare la differenza tra i due stati energetici del muone nell'atomo. Secondo la teoria, la differenza di energia misurata dipende da quanto è grande il nucleo atomico. Quindi, usando l'equazione teorica, il raggio può essere determinato dalla risonanza misurata. Questa analisi dei dati è stata effettuata nel gruppo di Randolf Pohl a Mainz.

Il mistero del raggio protonico sta svanendo

I ricercatori del PSI avevano già misurato il raggio del protone allo stesso modo nel 2010. A quel tempo, il loro valore non corrispondeva a quello ottenuto con altri metodi di misurazione. Si parlava di un puzzle del raggio protonico, e alcuni ipotizzarono che dietro potesse esserci una nuova fisica sotto forma di un'interazione precedentemente sconosciuta tra il muone e il protone. Questa volta non c'è contraddizione tra il nuovo, valore più preciso e le misurazioni con altri metodi. "Questo rende più improbabile la spiegazione dei risultati con la fisica oltre il modello standard, " dice Kottmann. Inoltre, negli ultimi anni il valore del raggio del protone determinato con altri metodi si è avvicinato al numero preciso di PSI. "Il puzzle del raggio protonico esiste ancora, ma sta lentamente svanendo, "dice Kottmann.

"La nostra misurazione può essere utilizzata in diversi modi, "dice Julian Krauth, primo autore dello studio:"Il raggio del nucleo di elio è un'importante pietra di paragone per la fisica nucleare". I nuclei atomici sono tenuti insieme dalla cosiddetta interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della fisica. Con la teoria dell'interazione forte, nota come cromodinamica quantistica, i fisici vorrebbero essere in grado di prevedere il raggio del nucleo di elio e di altri nuclei atomici leggeri con pochi protoni e neutroni. Il valore estremamente preciso misurato per il raggio del nucleo di elio mette alla prova queste previsioni. Ciò consente anche di testare nuovi modelli teorici della struttura nucleare e di comprendere ancora meglio i nuclei atomici.

Le misurazioni sull'elio muonico possono anche essere confrontate con esperimenti che utilizzano atomi e ioni di elio normali. In esperimenti su questi, pure, le transizioni energetiche possono essere attivate e misurate con sistemi laser:qui, anche se, con elettroni al posto dei muoni. Le misurazioni sull'elio elettronico sono in corso proprio ora. Confrontando i risultati delle due misurazioni, è possibile trarre conclusioni su costanti naturali fondamentali come la costante di Rydberg, che gioca un ruolo importante nella meccanica quantistica.

Una collaborazione di lunga tradizione

Mentre la misurazione del raggio del protone ha avuto successo solo dopo lunghi esperimenti, l'esperimento del nucleo di elio ha funzionato subito. "Siamo stati fortunati che tutto è andato liscio, "dice Antognini, "perché con il nostro sistema laser siamo al limite della tecnologia, e qualcosa potrebbe facilmente rompersi."

"Sarà ancora più difficile con il nostro nuovo progetto, " aggiunge Karsten Schuhmann dell'ETH di Zurigo. "Qui ci occupiamo ora del raggio magnetico del protone. E per questo, gli impulsi laser devono essere 10 volte più energetici."