La misurazione precisa fornisce nuove informazioni sulla fisica del protone
I ricercatori della Collaborazione ALPHA del CERN misurano la struttura elettrica e magnetica del protone.
Il protone, uno degli elementi costitutivi fondamentali della materia, è costituito da particelle ancora più fondamentali chiamate quark e gluoni. La struttura e la dinamica del protone sono complesse e non ancora completamente comprese. Tuttavia, una conoscenza precisa di queste proprietà è indispensabile per comprendere una varietà di processi, come la fusione nucleare, che è un candidato promettente per garantire il nostro approvvigionamento energetico in futuro, o le proprietà delle stelle di neutroni.
Le proprietà elettriche e magnetiche del protone sono tra le sue caratteristiche più basilari. La carica elettrica e il momento magnetico, che descrivono la forza del protone come magnete, possono essere misurati con precisione in esperimenti dedicati. Le deviazioni dai valori precisamente previsti per la dimensione del protone e la forza magnetica forniti dal Modello Standard fondamentale della fisica delle particelle sarebbero un segno di una nuova fisica oltre il Modello Standard. Si prevede che questi fenomeni finora sconosciuti avvengano alle scale di energia e lunghezza estremamente elevate che caratterizzarono l’universo primordiale, pochi microsecondi dopo il Big Bang. Costituiscono importanti quantità obiettivo per il programma di ricerca del Dipartimento di Fisica delle Alte Energie del DESY, poiché contengono la chiave per comprendere come si è formato il nostro universo.
Un team di ricercatori guidato da membri dell'Istituto Max Planck di fisica nucleare (MPIK) e dell'Università di Magonza, entrambi con sede in Germania, in collaborazione con colleghi di altri istituti, ha utilizzato le proprietà uniche degli atomi di antiidrogeno per misurare la concentrazione dei protoni momento magnetico con una precisione senza precedenti. L'antiidrogeno è costituito da un antiprotone e un antielettrone (chiamato positrone). Entrambe le controparti hanno massa uguale ma carica elettrica opposta alle loro controparti ordinarie. Di conseguenza, le misurazioni eseguite con l'antiidrogeno consentono di isolare e determinare con precisione proprietà dei protoni che sono difficili o impossibili da misurare direttamente nell'idrogeno.
I ricercatori hanno creato l’antiidrogeno nell’apparato ALPHA-2 presso l’Antiproton Decelerator del CERN. Il momento magnetico del protone è stato misurato guidando gli antiprotoni attraverso un campo magnetico e osservando come i loro spin si invertono quando il campo magnetico viene invertito. L'esperimento è stato impegnativo, poiché per una singola misurazione erano necessari più di 10 milioni di antiprotoni, un numero enorme se si considera che la produzione di un singolo antiprotone comporta in genere sofisticati processi a più fasi che durano diversi giorni. Per superare questo ostacolo, i ricercatori hanno utilizzato un’ingegnosa tecnica di “imbottigliamento antiidrogeno”. Hanno immagazzinato gli antiprotoni in un ambiente ad altissimo vuoto per diverse settimane, il che ha consentito di utilizzare gli antiprotoni accumulati per misurazioni multiple nonostante i tassi di produzione estremamente bassi.
La combinazione del nuovo risultato ALPHA-2 e delle misurazioni precedenti eseguite presso l’Istituto Paul Scherrer (Villigen, Svizzera) produce il valore più preciso fino ad oggi per il momento magnetico del protone e fornisce un test rigoroso dell’elettrodinamica quantistica. Il risultato rappresenta un progresso sostanziale nel percorso verso l’obiettivo finale della collaborazione ALPHA:un confronto preciso tra le proprietà dell’idrogeno e dell’antiidrogeno, che cercherà indizi di nuove interazioni e simmetrie fondamentali.
