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venerdì 17 aprile 2015

Le masse che fanno la differenza

La differenza di massa tra neutrone e protone è decisamente molto piccola. Le ultime notizie la danno a circa 2.53 volte la massa dell'elettrone, che è qualcosa come poco più di 0.5 MeV. Questa differenza di massa tra le due particelle nucleari è fondamentale per il nostro universo: esso, infatti, sarebbe profondamente diverso da come appare se, per esempio, questa differenza fosse di circa un terzo del valore attuale, ovvero di poco inferiore alla massa dell'elettrone. Come scrive Frank Wilczek:
(...) [gli] atomi di idrogeno si convertirebbero in neutroni e neutrini (attraverso un processo detto decadimento beta inverso). Anche valori più piccoli per questa differenza di massa che siano un po' più grandi della massa dell'elettrone sarebbero catastrofici, poiché l'Universo primordiale avrebbe cucinato l'idrogeno in elio in un modo più efficiente di quanto ha fatto, lasciando ben poco carburante per la fusione dell'idrogeno, il processo che sostiene le stelle normali, tra cui il nostro Sole. D'altra parte, se la differenza di massa fosse significativamente più grande del valore reale, allora la sinntesi dei nuclei atomici oltre l'idrogeno sarebbe difficile o impossibile.
Ora le differenze tra le due particelle sono sostanzialmente due: la carica elettrica e i quark u e d coinvolti nella loro costruzione, ovvero le particelle fondamentali che costruiscono i nucleoni e che presentano delle leggere differenze in massa tra loro. Determinare, quindi, con sempre maggiore precisione la differenza di massa tra neutrone e protone porta ad alcuni vantaggi non indifferenti: da un lato la possibilità di testare con sempre maggiore precisione le teorie quantistiche; dall'altro la possibilità di avere dati sperimentali con cui si dovranno confrontare le teorie che dovranno superare il Modello Standard attuale; infine la possibilità di sviluppare tecniche sperimentali sempre più precise, che potranno essere in seguito trasferite per lo sviluppo tecnologico di altri strumenti scientifici e non. In questo senso l'esperimento di Borsanyi e soci è un passo avanti non indifferente in tutti questi tre obiettivi, ed ecco il motivo per cui Wilczek lo saluta con grande ottimismo dalle pagine di Nature.
Come bonus accessorio di questo brevissimo racconto su una novità dalla fisica delle particelle (di cui non scrivo da tempo immemore...) è quello che può essere considerato come l'articolo di fisica più breve della storia (via Riemmanium), ovvero quello che stabilisce la differenza il rapporto di tra massa tra di protone ed elettrone(*):
Una gran bella differenza rispetto all'ultimo uscito sulla differenza tra protone e neutrone!
(*) A volte succede che qualcosa sfugga, perché sei convinto che debba andare in un certo modo, nonostante leggi il contrario. Ecco, questo è stato un caso di quelli. Per fortuna che c'era Andrea Plazzi che me l'ha fatto notare. Un grazie di cuore!
Wilczek F. (2015). Particle physics: A weighty mass difference, Nature, 520 (7547) 303-304. DOI: http://dx.doi.org/10.1038/nature14381
Borsanyi S., Durr S., Fodor Z., Hoelbling C., Katz S.D., Krieg S., Lellouch L., Lippert T., Portelli A., Szabo K.K. & Toth B.C. (2015). Ab initio calculation of the neutron-proton mass difference, Science, 347 (6229) 1452-1455. DOI: http://dx.doi.org/10.1126/science.1257050
Lenz F. (1951). The Ratio of Proton and Electron Masses, Physical Review, 82 (4) 554-554. DOI: http://dx.doi.org/10.1103/physrev.82.554.2

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