Tesoro, si è ristretto il protone

Quando c’è di mezzo la copertina di una rivista prestigiosa, allora la faccenda è grossa. E stavolta la copertina c’è: quella di “Nature”. Molto esplicita: un calibro che misura un protone. Per scoprire che è più piccolo del previsto. Il gruppo di scienziati autori della scoperta è di estrazione internazionale, ma il laboratorio dove sono state effettuate le misure è tutto svizzero, presso il Paul Scherrer Institut (PSI) di Villigen, nel Canton Argovia.
La differenza rilevata è di 0,00000000000003 millimetri. Verrebbe da dire “Chissenefrega”: quando mai uno scarto tanto minuscolo potrebbe cambiare qualcosa nel mondo? Invece non è così semplice, perché qui si parla del diametro del protone, cioè della struttura fondamentale della materia, la stessa di cui sono fatte le stelle, i pianeti, le piante e perfino (ma dai?) le persone. I protoni sono particelle di carica elettrica positiva che, insieme ai neutroni privi di carica, si trovano nel nucleo degli atomi. Tutt’intorno ci sono gli elettroni, di carica negativa. Ma attenzione: gli elettroni non possono stare ovunque, bensì solo su certi specifici, precisi, discreti livelli di energia determinati dalla meccanica quantistica. L’atomo più semplice di tutti è l’atomo di idrogeno, composto da un protone e da un elettrone. Theodor Hänsch, fisico Premio Nobel del Max Planck Institut für Quantenoptik che ha partecipato a questa ricerca, ha definito l’atomo di idrogeno “la stele di Rosetta della fisica quantistica”. Ora, fin qui sembra tutto scontato: l’atomo, il nucleo, i protoni e i neutroni, gli elettroni... sono tutte cose che ti spiegano fin dalla Scuola Media. Che altro c’è da scoprire ancora? Quella “stele di Rosetta” non è stata ampiamente decifrata?
No, non ancora. Proprio perché l’atomo di idrogeno è tanto semplice e fondamentale, si presta a misure di estrema precisione per determinare le caratteristiche delle particelle. Prendiamo il protone, per esempio. Secondo il Modello Standard della fisica delle particelle, il protone è composto da tre altre particelle ancora più fondamentali di lui: i quark. Ma quant’è grande un protone? Prendi un formulario di fisica e trovi la risposta: 0,8768 femtometri, dove un femtometro è un milionesimo di miliardesimo di metro. Questo risultato è stato ottenuto in passato studiando l’interazione fra il protone e l’elettrone nell’atomo di idrogeno. E se ne sta lì, fra i dati conosciuti e assodati della fisica.
Ma c’è sempre qualcosa di nuovo da imparare cambiando il sistema. Sicché al Paul Scherrer Institut hanno deciso di produrre degli atomi esotici, nei quali l’elettrone viene sostituito con una particella pure negativa ma 200 volte più massiccia: il muone. Per farlo, hanno sparato un fascio di muoni contro una nuvola di atomi di idrogeno. Siccome in qualche caso il muone prende il posto dell’elettrone, ecco prodotti gli atomi esotici. C’è però un problema: il muone decade dopo 2 milionesimi di secondo. Perciò la misura dei nuovi livelli di energia dev’essere molto veloce ed effettuata con laser speciali. Solo presso il Paul Scherrer Institut esistono questi strumenti insieme a un fascio di muoni abbastanza intenso per produrre un numero sufficiente di atomi esotici.
Ed ecco il risultato: 0,84184 femtometri. La discrepanza non può essere attribuita a errori di misurazione, quindi… “C’è qualcosa di gravemente sbagliato da qualche parte”, ha dichiarato a “Nature” Ingo Sick, fisico dell’Università di Basilea. Già, ma che cosa? La nuova misurazione potrebbe mettere in crisi la meccanica quantistica. Solo che non si può cambiare a cuor leggero una teoria con più di cent’anni di storia e innumerevoli conferme indipendenti. Forse bisognerà modificare il valore della costante di Rydberg, peraltro anche lei conosciuta e misurata con elevatissima precisione. O forse, e questa è l’ipotesi più intrigante, c’è di mezzo qualche fenomeno più profondo e importante. Altre particelle che intervengono nell’interazione fra il muone e il protone? Magari proprio le particelle supersimmetriche che nessuno ha ancora osservato ma che sono previste da alcune teorie?
La fisica dell’inizio del millennio è tutta un ribollire di scoperte bizzarre, dagli estremi confini del cosmo fino alle strutture più fondamentali della materia. Scoperte che si stenta a far rientrare nel quadro delle teorie meglio conosciute e confermate. I fisici litigano fra loro per moltissime questioni, ma su un fatto concordano tutti: una rivoluzione concettuale sembra essere (di nuovo, dopo quella dell’inizio del Novecento) alle porte. E sono preoccupati? Manco per niente. Eccitati dalla sfida, piuttosto. “Ti auguro di vivere in tempi non facili ma interessanti”, dice un antico augurio cinese.