Il raggio del protone

Grazie a Massimiliano Tanzini (@tanzmax) ho scoperto dell'uscita di un interessante articolo su Scientific American riguardo il rompicapo del raggio del protone. Il rompicapo (o mistero) può essere riassunto in questo modo: è possibile misurare il raggio del protone con varie tecniche, come lo scattering, o collisione con altre particelle, o con la spettroscopia sull'atomo di idrogeno. Se però si sostituisce a quest'ultimo un atomo muonico, dove l'elettrone è sostituito dal muone, il raggio del protone risulta più piccolo. I motivi ancora non sono ben chiari e rappresentano una sfida ai teorici per i prossimi anni. Di seguito un riassunto sulla storia del protone e delle recenti misure del suo raggio.

La storia del protone è strettamente legata con la storia del nucleo e dei modelli atomici. E' storia abbastanza nota che l'ipotesi più accreditata di atomo fosse quella di una sorta di panettone carico positivamente con le cariche negative sparpagliate un po' come la frutta candita al suo interno, almeno fino a che non arrivò Ernest Rutherford che con una serie di esperimenti mostrò prima che l'atomo era costituito da un nucleo centrale positivo e da una nuvola di elettroni esterna, e poi che a sua volta il nucleo era ancora suddiviso in particelle di carica positiva chiamate protoni. In particolare quella che viene considerata come la scoperta del protone, è in effetti la dimostrazione sperimentale che il nucleo dell'idrogeno è presente all'interno di ogni altro nucleo⁽¹⁵⁾.
A sua volta il protone (così come il neutrone), grazie ai modelli a partoni e al loro successo predittivo, si è scoperto essere suddiviso a sua volta in altre particelle, questa volta realmente elementari, i quark⁽¹⁾, ma il fatto che questi ultimi non sono osservabili liberi alle usuali energie, fa sì che, nonostante abbia perso il suo status di particella elementare, il protone continua a restare una delle particelle più importanti dello zoo: possiamo, e non a torto, considerarlo come il mattone fondamentale per l'universo visibile⁽¹²⁾.
Ad ogni modo, fino all'introduzione dei quark e dei gluoni, l'interazione nucleare veniva rappresentata attraverso il così detto potenziale di Yukawa⁽⁴⁾, una variazione rispetto al potenziale coulombiano che descrive l'interazione forte tra i nucleoni e che ha permesso di predire i mesoni⁽²⁾. In particolare una quantità che dovrebbe essere influenzata dalla presenza dei pioni nel nucleo è il raggio del protone, la cui misura, dunque, può dare un'idea della forza dell'interazione nucleare e che può essere misurata sfruttando lo spostamento di Lamb (o Lamb shift).
Questo fenomeno venne osservato da Willis Lamb e Robert Retherford nel 1947, mostrando una deviazione rispetto a quanto previsto dall'equazione di Dirac, secondo cui gli orbitali 2S e 2P si trovano alla stessa energia (si dice: sono livelli degeneri). In realtà i due fisici sperimentali osservarono una piccola differenza di energia tra i due livelli, che diventavano quindi distinguibili uno dall'altro⁽¹⁶⁾. Se storicamente questa deviazione fu in pratica l'inizio della QED⁽³⁾, sperimentalmente aprì un mondo da esplorare, con la ricerca della misura più precisa possibile per i livelli energetici dell'idrogeno. A questo scopo vennero realizzati strumenti sempre più sofisticati, fino all'invenzione di un laser che opera in mode locking, che ha permesso di realizzare con grande precisione tutta una serie di misure, inclusa quella del raggio del protone⁽¹³⁾.