Scienze

Ricalcolata la massa del protone: è inferiore al previsto

Nuove misure per la particella che contribuisce in modo importante alla massa dell'atomo.

Alla fine di questa pagina vi sentirete tutti più leggeri: uno studio coordinato da Fabian Heisse (del Max Planck Institut, Germania) è giunto a una più precisa misurazione della massa dell'atomo, in particolare dei protoni, e, sì, sono decisamente più leggeri di quanto si pensava finora!

Forse atomi e protoni vi sembrano piccole cose. Giusto, ma secondo le stime un corpo umano adulto è fatto da almeno 7 x 1027 atomi (7 seguito da 27 zeri, un numero impronunciabile), ognuno dei quali ha una massa inferiore a ciò che la fisica ha fino a oggi stimato.

Il lavoro per giungere alla nuova misura è stato notevole (vi hanno preso parte diversi istituti tedeschi e il centro di ricerca giapponese RIKEN): per cominciare, utilizzando intensi campi magnetici i ricercatori sono riusciti a "bloccare" un protone all’interno di una camera a vuoto mantenuta a una temperatura vicina allo zero assoluto.

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Schema di un atomo di carbonio-12.

I fisici hanno quindi iniziato a rilevare il comportamento del protone in tale situazione, e hanno calcolato la velocità con la quale la particella si muoveva all’interno di un nucleo di carbonio-12 (12C, uno dei due isotopi stabili del carbonio) e da questa hanno infine calcolato la massa della particella.

OK, ma di quanto? La rettifica è espressa da un altro numero impronunciabile: 30 miliardesimi dell’uno per cento inferiore a quanto previsto. Se volete i numeri, la massa del protone è 1,007276466583 unità atomiche (una unità atomica è la dodicesima parte della massa di un atomo di carbonio-12) e non 1,007276466879, come precedentemente sancito dal CODATA, il comitato internazionale per i dati di scienza e tecnologia.

Non è poca cosa: il protone contribuisce in modo importante alla massa dell'atomo, che è una unità fondamentale della fisica - come la costante di Planck (anch’essa recentemente corretta) e la velocità della luce. La massa del protone è di poco inferiore a quella del neutrone (dello 0,14%, probabilmente ora da verificare) mentre è ben 1836 volte superiore a quella dell'elettrone (anche questo dato andrà rettificato).

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Con il Big Bang si formarono atomi e antiatomi, che sono uguali ai primi ma con carica opposta: a contatto, i due annichiliscono trasformandosi in energia.

Una misura dell'importanza della scoperta la danno le nostre interpretazioni dei primi istanti dell'Universo, appena dopo il Big Bang: calcoli teorici hanno stimato che se la differenza di massa tra protone e neutrone fosse stata dello 0,19% anziché dello 0,14% si sarebbe formato più elio e meno idrogeno, e le stelle non si sarebbero accese come hanno fatto.

Leggeri e snelli. Certo alcuni calcoli andranno rivisti e le stime messe alla prova, ma un nuovo valore per l'unità di massa atomica potrebbe spiegare uno dei grandi problemi non risolti della fisica: perché nell'Universo c’è più materia che antimateria?

In base alle nostre teorie, materia e antimateria si formarono istantaneamente nella medesima quantità, alla nascita dell’Universo, ma poi la materia prese il sopravvento e il suo surplus ora forma l’Universo che conosciamo.

Nelle nuove misure forse i fisici troveranno la risposta al perché si verificò questa situazione e non, per esempio, il suo opposto.

Non è tutto: la nuova misura della massa potrebbe anche spiegare perché in molti esperimenti il raggio del protone sembra essere del 4 per cento più piccolo di quel che la teoria predice. Se tutto va bene, oltre che più leggeri adesso siete anche più snelli.

11 luglio 2017 Luigi Bignami
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