Nuovi standard in fisica nucleare

1,97007 femtometri (quadrilionesimi di metro): Ecco quanto è inimmaginabilmente piccolo il raggio del nucleo atomico dell'elio-3, secondo un esperimento del PSI pubblicato sulla rivista Science. Più di 40 ricercatori di istituti internazionali hanno sviluppato e implementato un metodo che consente di effettuare misurazioni con una precisione senza precedenti. Ciò stabilisce nuovi standard per le teorie e gli ulteriori esperimenti di fisica atomica e nucleare.

Il sofisticato esperimento è stato possibile solo con l'aiuto dell'acceleratore di protoni del PSI. Qui il team di Aldo Antognini produce il cosiddetto elio-3 muonico, in cui i due elettroni dell'atomo di elio sono sostituiti da una particella elementare chiamata muone. Ciò consente di determinare il raggio nucleare con grande precisione. Con la misurazione dell'elio-3, gli esperimenti sugli atomi muonici leggeri sono ora completi per il momento. In precedenza, i ricercatori avevano misurato l'elio muonico-4 e, qualche anno fa, i nuclei atomici di idrogeno e deuterio muonico.

Elio mionico-3: due volte più leggero

L'elio-3 è il cugino più leggero dell'elio-4, cioè il solito elio. Il suo nucleo atomico ha due protoni e due neutroni (da cui il 4 dopo l'abbreviazione dell'elemento); nell'elio-3 manca uno dei neutroni. La semplicità di questo nucleo atomico ridotto è di particolare interesse per fisici come Aldo Antognini. L'elio-3, che il fisico del PSI e professore del Politecnico di Zurigo sta utilizzando per l'esperimento in corso, non solo manca di un neutrone nel nucleo, ma anche di entrambi gli elettroni che orbitano attorno a questo nucleo. I fisici hanno sostituito gli elettroni con un muone con carica negativa, da cui il nome di elio-3 muonico. Il muone è circa 200 volte più pesante e si avvicina molto al nucleo. Di conseguenza, il nucleo e il muone si "sentono" molto più intensamente e le funzioni d'onda si sovrappongono maggiormente, come si dice in fisica. Questo rende il muone la sonda perfetta per misurare il nucleo e il suo raggio di carica. Questo indica l'area su cui si distribuisce la carica positiva del nucleo. Ideale per i ricercatori: Il raggio di carica del nucleo non cambia quando gli elettroni vengono sostituiti da un muone.

Antognini ha una certa esperienza nella misurazione degli atomi muonici. Qualche anno fa ha condotto lo stesso esperimento con l'idrogeno muonico, che contiene un solo protone nel nucleo e il cui elettrone è stato sostituito da un muone con carica negativa. All'epoca i risultati fecero scalpore perché la deviazione rispetto ad altri metodi di misurazione era sorprendentemente grande e alcuni critici pensarono addirittura che fossero sbagliati. Nel frattempo, i risultati sono stati confermati più volte: I risultati erano corretti.

Una struttura unica al mondo rende possibili gli esperimenti

Questa volta Antognini dovrà essere meno convincente. Innanzitutto, si è affermato come il principale esperto in questo campo di ricerca. In secondo luogo, questa volta non ci sono state grandi sorprese. I risultati attuali dell'elio-3 muonico sono in linea con quelli ottenuti da esperimenti precedenti con altri metodi. Tuttavia, le misure del team del PSI sono circa 15 volte più precise.

L'ingrediente più importante per l'esperimento sono i muoni con carica negativa, e tanti. Tuttavia, questi devono avere un'energia molto bassa, cioè essere molto lenti, almeno per gli standard della fisica delle particelle. Al PSI si possono generare circa 500 muoni al secondo con energie di un kiloelettronvolt. Questo fa sì che l'acceleratore di protoni del PSI, con la sua linea di fascio sviluppata in proprio, sia l'unico al mondo in grado di fornire muoni negativi così lenti e in numero così elevato.

Il laser di progettazione propria è decisivo per il successo

Anche il sistema laser, sviluppato dai ricercatori stessi, ha avuto un ruolo decisivo nel successo. La sfida è che il laser deve sparare immediatamente quando si avvicina un muone. Per raggiungere questo obiettivo, Antognini e il suo team hanno installato una lamina rivelatrice sottilissima davanti alla camera sperimentale senza aria. Questo riconosce quando un muone passa davanti alla lamina e dà al laser il segnale per emettere immediatamente un impulso di luce alla massima potenza. I ricercatori determinano il raggio di carica indirettamente, misurando la frequenza della luce laser. Se la frequenza del laser corrisponde esattamente alla risonanza di una determinata transizione atomica, il muone passa brevemente in uno stato di energia superiore prima di ricadere nel giro di pochi picosecondi allo stato di massa; in questo momento, emette un fotone sotto forma di luce X. Trovare la frequenza di risonanza alla quale avviene questa transizione richiede molta pazienza, ma fornisce un valore estremamente preciso per il raggio di carica del nucleo.

Un nuovo punto di riferimento per i modelli teorici

I raggi di carica ottenuti dall'elio-3 e dall'elio-4 muonico sono importanti valori di riferimento per le moderne teorie ab-initio - modelli fisici che calcolano le proprietà di sistemi complessi direttamente dalle leggi fisiche fondamentali senza ricorrere a dati sperimentali. Nel caso della fisica nucleare, essi forniscono una visione dettagliata della struttura dei nuclei atomici leggeri e delle forze tra i loro elementi costitutivi, i protoni e i neutroni.

La conoscenza precisa dei raggi nucleari è fondamentale anche per il confronto con gli esperimenti in corso sugli ioni di elio convenzionali con un elettrone e sugli atomi di elio neutri con due elettroni. Questi confronti forniscono test rigorosi dell'elettrodinamica quantistica (QED) nei sistemi a poche particelle, la teoria fondamentale che descrive come le particelle cariche interagiscono tra loro attraverso lo scambio di fotoni. I ricercatori possono così testare il potere predittivo della nostra comprensione più fondamentale della struttura atomica. Questo potrebbe portare a nuove intuizioni sulla QED per i sistemi legati - cioè in sistemi come gli atomi in cui le particelle non sono libere ma legate tra loro da forze - o forse anche a indicazioni di effetti fisici che vanno oltre il modello standard della fisica delle particelle.

Gruppi di ricerca ad Amsterdam, Garching e in Cina, nonché il gruppo di fisica molecolare e spettroscopia di Frédéric Merkt al Politecnico di Zurigo in Svizzera, stanno lavorando a esperimenti di follow-up.

Ma Antognini ha già altre idee per esperimenti che mettano alla prova le teorie della fisica atomica e nucleare in modo ancora più preciso. Un'idea è quella di misurare la scissione iperfine negli atomi muonici. Si tratta di transizioni energetiche tra livelli di energia divisi che rivelano dettagli più profondi sugli effetti nel nucleo atomico che hanno a che fare con lo spin e il magnetismo. Attualmente si sta preparando un esperimento con l'idrogeno muonico ed è in programma un esperimento con l'elio muonico. "Molte persone coinvolte nella fisica nucleare sono molto interessate a questo esperimento e attendono con impazienza i nostri risultati", dice Antognini. Ma la densità di energia del laser deve essere aumentata in modo significativo per questi nuovi esperimenti, il che richiede enormi progressi nella tecnologia laser. Questo sviluppo è attualmente in corso presso il PSI e il Politecnico di Zurigo.