Non di solo CERN vive la fisica

Ma l'acceleratore super-ultra-potente non era quello del CERN, a Ginevra? Quello enorme... quello che neanche gli Americani... eh? Ma allora com'è che poi le grandi scoperte arrivano da tutt'altra parte? Per esempio, il raggio del protone. Ne abbiamo parlato il 10 luglio scorso: la misura è stata corretta di 0,00000000000003 millimetri da un esperimento presso il Paul Scherrer Institut, nel Canton Argovia. Al quale ha partecipato anche un fisico mesolcinese, che sul problema lavora da dieci anni. Aldo Antognini, di Cama, dopo il liceo a Bellinzona e il diploma al Politecnico Federale di Zurigo ha svolto il proprio dottorato presso il Max Planck Institut für Quantenoptik e la Ludwig Maximilian Universität di Monaco di Baviera, lavorando con Theodor Hänsch, Premio Nobel nel 2005. Adesso Antognini è post doc di nuovo presso il Poli, a Zurigo, e fa parte dello staff che ha corretto la misura del protone. Come e perché? Ce lo siamo fatto raccontare da lui.
Dottor Antognini, che cosa volevate ottenere?
L'idea originaria era quella di misurare il raggio del protone con un metodo elegante e semplice per verificare la teoria dell'elettrodinamica quantistica applicata all'atomo di idrogeno.
Un metodo... semplice?
Semplice dal punto di vista concettuale. Difficile e complicato dal punto di vista tecnologico. Infatti l'idea circola già dagli Anni Settanta, ma a quel tempo non esisteva la tecnologia necessaria. E l'idea è la seguente... Prima di tutto si crea un atomo esotico chiamato idrogeno muonico: è formato da un muone e un protone. In pratica, l'elettrone presente nell'atomo di idrogeno viene sostituito da un muone. Il muone è una particella fondamentale molto simile all'elettrone, con la stessa carica e stessa interazione con le altre particelle, ma 200 volte più pesante e con una lunghezza di vita di 2 microsecondi. Poi con una luce laser di precisione abbiamo misurato la differenza energetica tra due orbite del muone. Mi spiego meglio... Il muone in quest'atomo esotico orbita attorno al protone. Secondo le leggi della meccanica quantistica le orbite, o più precisamente i livelli energetici degli atomi, sono quantizzati, cioè il muone può orbitare attorno al protone con una certa energia oppure con un'altra, ma non può avere un'energia intermedia. I livelli energetici possibili sono ben definiti e discreti. Perciò il muone può stare su un livello o su un altro ma non tra i due livelli. Come per una scala a pioli: si può mettere il piede su uno scalino o su quello successivo, ma non in mezzo. Assorbendo o emettendo fotoni, cioè luce, il muone può però saltare da un livello energetico all'altro. Perciò, tornando al nostro esperimento, con un impulso laser appropriato che è formato da luce coerente facciamo saltare il muone da un'orbita all'altra. Questo accade solo se il colore della luce laser, anzi più precisamente la sua frequenza di vibrazione, corrisponde alla differenza energetica tra due orbite. In poche parole, con il laser appositamente sviluppato siamo in grado di misurare la differenza di energia fra due orbite del muone. E da ciò possiamo dedurre il raggio del protone.
Qual è stata la principale complicazione a livello tecnologico?
Soprattutto due sviluppi tecnologici sono stati difficili: quello del fascio di muoni e quello del sistema laser. La particolarità del fascio di muoni che abbiamo sviluppato al Paul Scherrer Institut sta nell'intensità e nella qualità a basse energie. Allo sviluppo del laser hanno contribuito vari istituti germanici, francesi e svizzeri. Nel laser abbiamo utilizzato e in parte anche sviluppato delle tecnologie moderne che trovano applicazione nell'industria automobilistica. Infatti parte del laser si basa su principi e soluzioni che sono implementati nei robot che saldano le carrozzerie delle auto nelle catene di montaggio delle case automobilistiche.
Perché "dannarsi" a utilizzare quest'atomo strano che non esiste in natura ed è probabilmente molto complicato da produrre?
Sì, è difficile produrre quest'idrogeno esotico. Ed è necessario un acceleratore di particelle. Questa difficoltà è comunque compensata dalla maggior precisione che possiamo raggiungere. Infatti il muone, essendo 200 volte più pesante dell'elettrone, orbita molto più vicino al protone rispetto all'elettrone nell'atomo di idrogeno. Perciò il muone "sente" maggiormente la grandezza del protone. Più scientificamente, i livelli energetici del muone dipendono molto più fortemente dalla grandezza del protone. Ne consegue che noi, studiando quest'atomo muonico, possiamo dedurre il raggio del protone in maniera molto più precisa che con altri metodi.
E avete scoperto che...?
Che c'è una discrepanza con il valore che si trova nella letteratura scientifica, ricavato con altri metodi. Noi siamo almeno dieci volte più precisi degli altri, ma il nostro valore differisce fortemente.
Un bel pasticcio.
Da un lato sì, ma dall'altro lato rende tutta la faccenda molto interessante, perché qualsiasi deviazione può condurre a nuove scoperte. I fisici sono sempre alla ricerca di queste discrepanze, che sono come delle brecce nella teoria presente che potrebbero rivelare nuovi fenomeni e aprire, in casi eccezionali, prospettive su nuovi orizzonti.
Questa ricerca è stata svolta presso il Paul Scherrer Institut. Perché proprio lì?
Perché per produrre l'idrogeno muonico abbiamo bisogno di muoni. E ne abbiamo bisogno molti. Il Paul Scherrer Institut è l'unico laboratorio a livello mondiale che abbia dei fasci di muoni con un'intensità tale da rendere possibile il nostro esperimento.
Come sarebbe? E il CERN, scusi? E il Tevatron del Fermilab?
Sono acceleratori di un tipo differente. Quei grandi strumenti raggiungono energie molto più elevate, che permettono di risolvere, di studiare l'ultrapiccolo, il mondo subatomico, ancora più piccolo della dimensione del protone. Per il nostro esperimento invece sono necessari molti muoni e di bassa energia. Per questo abbiamo lavorato con l'acceleratore di protoni del PSI. In generale, per quel che riguarda la ricerca in fisica delle particelle, il Paul Scherrer Institut segue una strada in parte complementare a quella del CERN. Il CERN spinge l'energia per vedere in maniera diretta fenomeni che si verificano nel mondo dell'infinitamente piccolo, fenomeni che potrebbero rivelare altre dimensioni, altre forze, nuove particelle, l'origine dell'universo. Il Paul Scherrer Institut cerca invece la precisione attraverso l'intensità dei fasci, cioè attraverso la statistica. Queste misure, precise anche loro, possono rivelare dei fenomeni che sono in parte complementari alla ricerca presso il CERN. Per esempio, il CERN cerca di produrre direttamente delle nuove particelle, mentre il Paul Scherrer Institut studia dei fenomeni che potrebbero rivelare in maniera indiretta l'esistenza di queste particelle. E per fare ciò è necessaria una grande precisione.
E tutto questo porta a qualche tipo di applicazione?
L'acceleratore di protoni del PSI usato per produrre i muoni è da 30 anni il migliore acceleratore al mondo nel suo genere e ha un'intensità di un ordine di grandezza superiore a quella di tutti gli altri laboratori. Esso ha svariate applicazioni, dalla ricerca fondamentale come la nostra fino alla ricerca sui materiali, dalla terapia contro il cancro fino allo sviluppo di tecnologie per il CERN.
Dal punto di vista della fisica fondamentale, perché è importante correggere la misura delle dimensioni del protone?
Prima di tutto è importante notare che il protone ha un raggio, cioè ha una dimensione. Non è il caso per esempio per l'elettrone. Infatti l'elettrone, per quel che se ne sa oggi, è un punto matematico, non ha alcuna dimensione. Il protone ha una grandezza finita perché a propria volta è composto da quark che interagiscono in maniera molto complicata tra loro. Perciò il raggio del protone è un parametro interessante per capire e modellare la dinamica dei quark al suo interno, la dinamica delle cosiddette forze forti, che tengono assieme i protoni e i neutroni nel nucleo atomico. Comunque la motivazione principale del nostro esperimento era la misura del raggio del protone per verificare le teorie sull'atomo di idrogeno. E l'atomo di idrogeno ha svolto e svolge tuttora un ruolo notevole nella fisica, tanto che circolano vari aforismi sul suo conto. Per esempio "Capire l'idrogeno vuol dire capire tutta la fisica", attribuito a Victor Weisskopf. Weisskopf ha negato di aver detto una frase del genere, ma ha pure aggiunto: "Però mi piacerebbe averla detta". Oppure Hänsch, che definisce l'atomo di idrogeno come "la Stele di Rosetta della fisica moderna". Si ricordi solo che la meccanica quantistica e la teoria fisica più precisa che abbiamo, l'elettrodinamica quantistica, sono state sviluppate per spiegare i livelli energetici misurati nell'atomo di idrogeno.
Perché l'idrogeno è così speciale?
Perché è semplice. E' composto da due particelle che interagiscono fra loro: il protone e l'elettrone. E' perciò un sistema pulito, ideale per scoprire le leggi fondamentali che governano l'interazione fra queste particelle, la loro dinamica. Questo sistema rappresenta un sogno: il sogno riduzionista della scienza. Comunque è nella semplicità che si aprono le porte della conoscenza. Dal tumulto della complessità è difficile distillare le leggi di base. Da un lato le teorie sull'idrogeno possono essere sviluppate senza approssimazioni e assunzioni e questo permette di fare dei calcoli estremamente precisi. Dall'altro lato lo sviluppo di tecniche sempre più precise ha rivelato effetti sempre più sottili, frontiere sempre più lontane. Ogni deviazione fra teoria ed esperimento è uno stimolo per migliorare le nostre conoscenze scientifiche e le nostre tecnologie. Perciò ogni incremento di precisione offre la possibilità di vedere delle incongruenze che portano a un miglioramento delle conoscenze scientifiche. In questa prospettiva dev'essere vista la nostra misura del raggio del protone. Infatti essa ha aperto la possibilità di testare a un livello mai raggiunto finora la teoria dell'atomo di idrogeno. E quello che abbiamo evidenziato è una grande discrepanza.
Ma non potrebbe esserci un errore nel vostro esperimento?
Guardi, la discrepanza è così grande che difficilmente può essere attribuita a un nostro errore di misurazione. Come ho detto, il nostro esperimento è semplice e "pulito". E' difficile avere un segnale, ma, appena il segnale viene rivelato, allora noi siamo molto più precisi di tutti gli altri metodi.
Quindi c'è qualcosa di sbagliato altrove. Magari nelle teorie. Che cosa potrebbe essere?
Sì, c'è sicuramente qualcosa di sbagliato da qualche parte, ma che cosa e dove non si sa ancora. Onestamente è troppo presto per dirlo. Però ci sono alcune possibilità. Infatti per determinare il raggio del protone dalla nostra misura dobbiamo conoscere la teoria dei livelli energetici dell'idrogeno muonico. Oppure il problema potrebbe risiedere nelle teorie sull'atomo di idrogeno. Magari un semplice errore di calcolo, magari un effetto dimenticato o magari qualcosa di fondamentale. Un'altra possibilità sarebbe quella di correggere la costante di Rydberg, che però è la costante conosciuta con la maggiore precisione in tutta la fisica. Ci sono pure teorici che cercano di spiegare la nostra discrepanza come conseguenza di una "nuova fisica", come nuove particelle, fotoni oscuri, dimensioni extra. Ma per ora sono solo discussioni, pure speculazioni senza grande credibilità.
E per saperne di più che cosa contate di fare?
Proseguiamo sulla stessa linea. Il prossimo passo sarà la produzione di elio muonico: un nucleo di elio, con due protoni e due neutroni, intorno al quale orbita un muone. Il nuovo esperimento dovrebbe avvenire non prima del 2013, perché nel frattempo dovremo adattare il nostro laser alle frequenze delle transizioni atomiche dell'elio muonico.