Le dimensioni del nucleo di elio misurate in modo più preciso che mai

L'elio è il secondo elemento più abbondante nell'universo dopo l'idrogeno. Circa un quarto dei nuclei atomici creati nei primi minuti dopo il Big Bang erano nuclei di elio. Questi sono costituiti da quattro elementi costitutivi, ovvero due protoni e due neutroni. Per la fisica fondamentale è fondamentale conoscere le proprietà del nucleo di elio per comprendere, tra l'altro, i processi in altri nuclei atomici. "Il nucleo dell'elio è un nucleo fondamentale", afferma Aldo Antognini, fisico del PSI e dell'ETH di Zurigo.

La collaborazione internazionale di ricerca è riuscita a determinare le dimensioni del nucleo di elio con una precisione cinque volte superiore a quella ottenuta con le misurazioni precedenti. Il gruppo ha pubblicato oggi i suoi risultati sulla rinomata rivista scientifica pagina esterna"Natura pubblicato. In base a ciò, il cosiddetto raggio di carica medio del nucleo di elio è di 1,67824 femtometri (1 quadrilione di femtometri equivale a 1 metro).

"L'idea alla base dei nostri esperimenti è semplice", spiega Antognini. "Normalmente, due elettroni carichi negativamente orbitano attorno al nucleo di elio carico positivamente. Tuttavia, per i nostri esperimenti non abbiamo usato atomi normali, ma atomi esotici in cui entrambi gli elettroni sono stati sostituiti da un singolo muone". il muone è considerato il fratello più pesante dell'elettrone; sebbene sia simile all'elettrone, è circa 200 volte più pesante di esso. Un muone è quindi legato al nucleo atomico in modo molto più forte di un elettrone e gli orbita intorno in orbite molto più strette. Rispetto agli elettroni, è molto più probabile che un muone rimanga nel nucleo stesso. "Questo ci permette di trarre conclusioni sulla struttura del nucleo atomico nell'elio muonico e di misurarne le proprietà", spiega Antognini.

Muoni lenti, sistema laser complicato

I muoni vengono prodotti al PSI utilizzando un acceleratore di particelle. La specialità dell'impianto è la produzione di muoni a bassa energia. Queste particelle sono lente e possono essere fermate nell'apparato per gli esperimenti. Questo è l'unico modo per formare gli atomi esotici in cui un muone butta fuori un elettrone dalla sua orbita e lo sostituisce. I muoni veloci, invece, volerebbero attraverso l'apparato. L'impianto del PSI fornisce più muoni a bassa energia di qualsiasi altra macchina analoga al mondo. "Per questo motivo l'esperimento con l'elio muonico può essere effettuato solo qui", afferma Franz Kottmann, che da 40 anni guida il lavoro preparatorio necessario per questo esperimento.

Nell'esperimento, i muoni colpiscono una piccola camera riempita di gas elio. Se le condizioni sono giuste, si produce elio muonico, in cui il muone si trova in uno stato energetico in cui risiede spesso nel nucleo atomico. "Ora arriva il secondo importante elemento costitutivo dell'esperimento: il sistema laser", spiega Antognini. Il complicato sistema spara un impulso laser sul gas elio. Se la luce laser ha la giusta frequenza, eccita il muone e lo trasporta in uno stato di energia superiore, in cui il suo percorso è praticamente sempre esterno al nucleo. Se poi il muone torna allo stato di massa, emette luce a raggi X che può essere registrata dai rivelatori.

Nell'esperimento, la frequenza del laser viene variata finché non arriva il maggior numero possibile di segnali radiografici. La fisica parla allora della cosiddetta frequenza di risonanza. Con il suo aiuto, è possibile determinare la differenza tra i due stati energetici del muone. Secondo la teoria, la differenza di energia misurata dipende dalle dimensioni del nucleo atomico. Le equazioni teoriche possono quindi essere utilizzate per determinare il raggio. L'analisi dei dati necessari è stata effettuata dal gruppo di Randolf Pohl dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz.

Pietra di paragone per la fisica nucleare

"La nostra misura può essere utilizzata in vari modi", afferma Julian Krauth, primo autore dello studio: "Per esempio, il raggio del nucleo di elio è un'importante pietra di paragone per la fisica nucleare". I nuclei atomici sono tenuti insieme dalla cosiddetta interazione forte, una delle quattro forze fondamentali della fisica. Utilizzando la teoria dell'interazione forte, nota come cromodinamica quantistica, la fisica spera di poter prevedere il raggio del nucleo di elio e di altri nuclei atomici leggeri con pochi protoni e neutroni. Il valore estremamente preciso misurato del raggio del nucleo di elio mette alla prova queste previsioni. Ciò consente anche di testare nuovi modelli teorici di struttura nucleare e di comprendere ancora meglio i nuclei atomici.

Le misure sull'elio muonico possono essere confrontate anche con esperimenti su atomi e ioni di elio normale. Questi ultimi possono essere utilizzati anche per innescare e misurare le transizioni di energia utilizzando sistemi laser, ma in questo caso con elettroni invece che con muoni. Se si confrontano i risultati di entrambi i metodi di misurazione, si possono trarre conclusioni sulle costanti naturali fondamentali, come la costante di Rydberg, che svolge un ruolo nella meccanica quantistica.