Il concetto di spazio è qualcosa di molto familiare nella vita di tutti i giorni, quasi innato nel nostro modo di pensare. Ci permette ad esempio di valutare l’estensione di un oggetto rispetto ad un altro e ci consente di decidere come relazionarci alle altre entità che ci circondano, tranne quella volta che porca miseria secondo me la macchina ci sarebbe stata in garage a fianco della bici.

Abbiamo imparato che le cose sono fatte da atomi, e che questi atomi occupano uno spazio: ne siamo sicuri, dato che li possiamo anche vedere al microscopio elettronico. Anche i costituenti subatomici occupano uno spazio: la dimensione di un protone ad esempio è all’incirca 0,88 femtometri (1).

Anzi era, fino a ieri.

Nel mondo del molto piccolo, è molto difficile parlare di dimensioni di qualcosa. Proprio in questi giorni, Matt Strassler ci racconta nel suo blog le meraviglie degli elettroni, e ci ricorda – ad esempio – che non abbiamo la più pallida idea se gli elettroni abbiano una dimensione e quanto grossa (cioè piccola) sia questa dimensione. Certamente, gli elettroni sono molto piccoli: gli esperimenti ci permettono di stabilire che (ammesso e non concesso che questi ultimi occupino effettivamente dello spazio) la loro occupazione spaziale deve essere più piccola di 10^-18 metri, circa cento milioni di volte meno di un raggio atomico medio. Nella vita di tutti i giorni però gli elettroni sono influenzati dalla loro duplice natura di onda/particella (2): come onda, sono spalmati ovunque sull’orbitale che occupano intorno al nucleo dell’atomo, ma questo non ha nulla a che vedere con la loro occupazione spaziale intrinseca (con quanto sono grossi, insomma).

Invece, del protone, conosciamo la dimensione: approssimativamente 0,88 femtometri (3). Questa misura, che tiene conto degli errori sperimentali e statistici, è stata ottenuta interrogando uno dei sistemi fisici più conosciuti: un atomo di idrogeno. Esso è composto da un protone ed un elettrone, e grazie alla profonda conoscenza della fisica di questo sistema è possibile ricavare – studiando come assorbe ed emette luce – delle informazioni dettagliate sulle proprietà del protone.

E’ sempre una cosa utile verificare una misura con un’altra possibilmente indipendente dalla prima, per questo, alcuni ricercatori (4) hanno sostituito l’elettrone dell’idrogeno col cugino panzone dell’elettrone: il muone . I muoni non si trovano in natura (anzi: se ne trovano, come abbiamo già avuto modo di parlare qui su OMGS, ma dato che hanno una brevissima vita media, non possiamo costruirci niente), ma con degli esperimenti progettati in modo molto mirato è possibile costruire – per qualche milionesimo di secondo – degli stranissimi atomi di idrogeno in cui al posto degli elettroni negli orbitali zompano su e giù dei muoni. Il muone è 207 volte più cicciotto dell’elettrone, e questo influenza il modo in cui questi atomi di idrogeno muonici assorbono ed emettono fotoni a determinate lunghezze d’onda. Ebbene, nel tentativo di riconfermare le dimensioni del protone, da questi esperimenti si evince che le dimensioni di quest’ultimo sono di circa 0,84 femtometri (in luogo dei precedenti 0,88) – e questo a scanso degli errori di misura e una volta risolte le incertezze statistiche.

Tutto qua?!?! …direte voi. Il fatto è che – per quanto piccola possa sembrare questa differenza – la misura è molto precisa, tanto da non poter essere troppo diversa da questi 0,84 femtometri. Quelle che ballano sono le cifre decimali indicate in parentesi: 0.84087(39). La cosa buffa è che nemmeno l’altra misura è imprecisa: in un’atomo di idrogeno, un protone misura effettivamente 0,88 femtometri. Che cosa vuol dire questa cosa? Non chiedetelo a me, non lo sanno nemmeno gli autori del lavoro che concludono “si rinforza in questo modo il puzzle del raggio del protone”.

Piermatteo

Note

(1) Un femtoqualcosa è un milionesimo di miliardesimo di qualcosa.

(2) Anche il vostro spazzolino, il biglietto della metropolitana e il portiere del vostro condominio hanno una natura ondulatoria, esattamente come l’elettrone e i suoi altri amici subatomici: non la sperimentate perchè la loro lunghezza d’onda associata è molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto molto MOLTO minore della dimensione dell’oggetto (o persona) in questione.
Se volete calcolare la lunghezza d’onda del vostro cane, in fondo a questa pagina lo potete fare.

(3) Non siete stati attenti, eh?

(4) Proton Structure from the Measurement of 2S-2P Transition Frequencies of Muonic Hydrogen (ossia: Struttura del protone dalla misura delle frequenze di transizione degli orbitali 2S-2P dell’idrogeno muonico). L’articolo e l’interessantissimo abstract sono qui.

Tag:acceleratore di particelle, carica elettrica, dimensioni del protone, idrogeno, idrogeno muonico, meccanica quantistica, muone, particelle, protone, raggio del protone