La saga del protone.

In evidenza

Claudio Della Volpe

Dopo 7 anni di blog abbiamo publicato oltre 1100 articoli e dunque è legittimo dimenticarne qualcuno (guardate la lista in fondo) fin quando i fatti della scienza non rimettono al centro il tema.

E il tema di cui vorrei parlarvi oggi è il protone.

In particolare quanto è grande il protone; si tratta di un tema di base per la chimica; l’esperimento di Rutherford è considerato fondante per la fisica e chimica moderne; l’atomo ha una struttura “planetaria” e i modelli su di esso per interpretarne il comportamento si sono sprecati fino a questo esperimento chiave. Anche questa storia dei modelli la abbiamo raccontata, in un paio di post qui e qui.

L’esperimento di Rutherford, quello famoso in cui un fascio di particelle alfa puntato contro una sottile lamina di oro torna indietro (in piccola percentuale veh!) aprì uno spiraglio inaspettato nel mondo naturale.

Qui abbiamo a che fare con un altro spiraglio. Il diametro del protone misurato in modi diversi è diverso, di poco, come piccole erano le percentuali di particelle alfa che tornavano indietro con Rutherford (1 su 8000); qui la discrepanza è addirittura il 4%; e con deviazioni standard su ogni misura ben inferiori alla differenza; allora quale è il diametro del protone?

L’occasione per parlarne è un articolo uscito su Nature del 6 novembre scorso di cui riporto qui sotto l’inizio.

Ci sono almeno tre modi di valutare il raggio del protone basati rispettivamente sulla spettroscopia dell’idrogeno, sulla spettroscopia dell’atomo muonico e sulla diffusione elettrone-protone; fino a poco tempo fa solo la spettroscopia muonica aveva dato questo risultato diverso, più basso del 4% sul raggio. Abbiamo approfondito la natura dell’atomo muonico e i motivi per cui se ne può fare interessante e precisissima spettroscopia in un post precedente.

Il muone è un leptone a breve vita e grande massa; ad alte velocità la relatività ne allunga l’esistenza permettendoci di fare un atomo in cui sostituisce l’elettrone che è un leptone pure lui, ma oltre 200 volte più leggero; il muone a causa della massa ha un orbitale con un raggio medio molto piccolo che è molto più sovrapposto al protone centrale nell’idrogeno muonico; questa sovrapposizione delle funzioni d’onda di protone e muone fa interferire molto più più i loro comportamenti di quanto succeda con protone ed elettrone; per approfondire i dettagli andatevi a leggere il vecchio post. La sovrapposizione esiste anche nell’idrogeno elettronico ma viene trascurata di solito.

Queste misure furono fatte nel 2010 da Pohl e ripetute da Antognini nel 2013; al momento ci sono però ben due esperimenti degli altri tipi che danno anche essi questo valore più basso e questo lavoro pubblicato su Nature ci dice che anche la diffusione elettrone-protone adesso è in accordo con le misure muoniche e quelle di spettroscopia tradizionale corretta da Beyer nel 2017. Beyer, A. et al. The Rydberg constant and proton size from atomic hydrogen. Science 358, 79–85 (2017)

Beyer aveva ottenuto un diverso valore facendo alcune correzioni che correggevano per il fenomeno dell’interferenza delle funzioni d’onda nell’atomo di idrogeno tradizionale (la cosiddetta correzione di Fano-Voigt) applicata alla transizione 2S-4P ed aveva anche fatto notare che alcune misure di spettroscopia dell’idrogeno davano risultati che erano ben diversi dalla media comunemente accettata. Il set completo dei valori è riportato in una sua figura qui   sotto.

Una delle conseguenze del ricalcolo di Beyer e collaboratori è che la costante di Rydberg cambia in modo significativo. La costante di Rydberg è espressa dalla formula:

Nella nuova versione calcolata tenendo conto della interferenza quantistica essa assume il valore di

10973731.568076(96) m-1.

Dunque una variazione sulla dodicesima cifra significativa, ma ben fuori dall’errore con cui la conoscevamo prima. Il GoldBook deve essere aggiornato. Ricordiamo che la costante di Rydberg è il valore del massimo numero d’onda (inverso della lunghezza d’onda) del fotone che può essere emesso da un atomo di idrogeno o, alternativamente, il numero d’onda del fotone con la minima energia richiesta per ionizzare tale atomo. Il valore all’infinito è il valore necessario a calcolare la stessa cosa per qualunque atomo idrogenoide con una semplice serie. Può sembrare una minuscola correzione, ma qua stiamo parlando di quelle che chamiamo “costanti” universali. Dove abbiamo sbagliato?

La nuova situazione dopo il lavoro di qualche giorno fa è questa riportata nel grafico qua sotto.

Adesso la questione è non più rimandabile: quale è il vero raggio del protone, 0.84 o 0.88 fm? Dove sta il busillo?

C’è una parte di teoria standard sbagliata oppure tutta la teoria è sbagliata oppure alcuni dei caposaldi della spettroscopia tradizionale dell’idrogeno sono erronei e dobbiamo rigettare quasi tutti i valori precedentemente misurati (quest’ultima cosa secondo me è certa)?

Quale o quali costanti fisiche cambiano a causa di questa nuova misura del raggio del protone? Il protone è una spugnetta dal raggio variabile? Dopo tutto è un adrone non un leptone e dunque i quark al suo interno potrebbero risentire delle condizioni di misura.

Abbiamo semplicemente trascurato il fenomeno della interferenza quantistica fra la funzione d’onda del protone e dell’elettrone? Le particelle quantistiche coesistono nel medesimo spazio ed interferiscono come onde, un fenomeno che a livello macroscopico cogliamo solo nei processi puramente ondulatori (luce suono). E quanto conta questo negli altri atomi?

Viviamo tempi interessanti e a tutti quelli che dicono che ormai la scienza è finita o perlomeno che è sempre più difficile ottenere risultati nuovi faccio una pernacchia.

Altri post sul tema protone:

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2016/06/05/luniverso-e-fatto-di-storie-non-di-atomi/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/03/26/protone-e-acqua/

https://ilblogdellasci.wordpress.com/2015/03/19/tre-ioni-facili/