Cosa succede veramente dentro gli atomi?

La domanda è davvero molto affascinante, per ora nessuno sa veramente cosa succede dentro gli atomi ma due team scientifici ritengono di avere trovato la risposta, chi avrà ragione?

Cosa sappiamo degli atomi?

Un atomo è composto da un nucleo e dagli elettroni che si muovono nel guscio esterno di un atomo. Essenzialmente però un atomo è costituito da spazio vuoto con la maggior parte della massa concentrata nel nucleo, composto da protoni e neutroni, o da un solo protone, nel caso dell’atomo più semplice, quello di idrogeno. I protoni hanno una carica elettrica definita positiva, i neutroni sono privi di carica e formano il nucleo tenuti incollati dalla forza forte. Il numero dei protoni determina il tipo di atomo, se è un atomo stabile o se emette altre particelle. Nessuno, però, sa come si comportano i nucleoni, cioè i protoni e i neutroni presenti nel nucleo atomico.

Sia i protoni che i neutroni sono stati misurati all’esterno di un nucleo e si è scoperto che sia gli uni che gli altri sono composti da altre particelle, i quark, tre quark ciascuno. Le interazioni tra i quark, che per quanto ne sappiamo dovrebbero essere particelle fondamentali, cioè non scomponibili ulteriormente, sono cosi intense che nessuna forza può deformarli.

Alcuni esperimenti hanno dimostrato che, all’interno di un nucleo, protoni e neutroni appaiono molto più grandi di quanto dovrebbero essere e per spiegare questa differenza oggi abbiamo a disposizione due teorie.

Sappiamo dagli anni ’40, che i nucleoni si muovono in piccoli orbitali all’interno del nucleo, I nucleoni, confinati nei loro movimenti, hanno pochissima energia frenati dalla forza forte.
Nel 1983 venne effettuato un esperimento al CERN che permise ai fisici si accorgersi che un fascio di elettroni viene deflesso in modo diverso quando colpisce protoni liberi. Eppure si riteneva che i protoni fossero tutti uguali, ma forse non era cosi, per qualche motivo protoni e neutroni che costituivano i nucleoni sembravano avere dimensioni maggiori. L’effetto viene chiamato EMC (European Muon Collaboration, dal nome del gruppo che l’ha scoperto per puro caso).

Questo effetto viola le teorie esistenti della fisica nucleare.

Secondo Hen, un fisico nucleare del MIT, il fenomeno potrebbe essere spiegato pensando che i quark che compongono i nucleoni interagiscono intensamente all’interno di un dato protone o neutrone, i quark in protoni e neutroni liberi non possono interagire molto tra loro. La forza forte all’interno di un nucleo è così forte da eclissare la forza forte che collega i nucleoni ad altri nucleoni.

Tuttavia, recenti esperimenti hanno dimostrato che in un dato momento, circa il 20% dei nucleoni in un nucleo sono in realtà al di fuori dei loro orbitali, accoppiati con altri nucleoni, interagendo in “correlazioni a corto raggio“. In questo modo le interazioni tra i nucleoni sono di energia molto più elevata perché i quark penetrano attraverso le pareti dei loro singoli nucleoni e iniziano a interagire direttamente, e le interazioni quark-quark sono molto più potenti delle interazioni nucleone-nucleone.

Queste interazioni abbattono le pareti che separano i quark all’interno dei singoli protoni o neutroni e i quark che formano un protone occupano lo stesso spazio dei quark che formano un protone adiacente. Questo meccanismo distorce i protoni o i neutroni che per brevi periodi possono avere dimensioni maggiori producendo l’effetto EMC.
La maggior parte dei fisici accetta questa interpretazione dell’effetto EMC, ma non tutti pensano che il gruppo di Hen abbia risolto il problema.

Ian Cloët, un fisico nucleare dell’Argonne National Laboratory in Illinois, ha dichiarato di ritenere che il lavoro di Hen tragga conclusioni che i dati non supportano completamente ritenendo l’effetto EMC ancora irrisolto perché il modello di base della fisica nucleare rappresenta già molti degli accoppiamenti a corto raggio descritti da Hen e non risolve completamente il problema del nucleo atomico.

Ian Cloët ritiene che la spiegazione vada ricercata nella cromodinamica quantistica, o “QCD” che regola il comportamento dei quark.

Tutto risolto? Per nulla. Le equazioni QCD che descrivono tutti i quark in un nucleo sono troppo difficili da risolvere, i supercomputer moderni sono ancora troppo lenti per farlo e forse serviranno altri cento anni affinché diventino abbastanza veloci per risolverle. E se anche, oggi, fossero abbastanza potenti e veloci, non riuscirebbero comunque visto che le equazioni non sono sufficientemente avanzate. Ma la QCD potrebbe essere utilizzata per rispondere ad alcune domande e oggi quelle risposte potrebbero spiegare in modo diverso l’effetto EMC.

L’interno del nucleo atomico è la sede di forze molto intense“, ha spiegato Cloët, “simili a campi elettromagnetici che però interagiscono su distanze infinitamente piccole. Queste forze perdono tutta la loro intensità al di fuori del nucleo”. Cloèt ha sviluppato un modello di questi campi di forza che ha chiamato “campi medi” che deformano la struttura interna di un protone o di un neutrone e dei pioni, particelle che trasportano una forza.

Per i ricercatori che hanno teorizzato i campi medi, non ci sarebbe nessuna barriera nei nucleoni o meglio, questa barriera avrebbe dei buchi che consentirebbero alle forze di interagire con i quark deformando il nucleone stesso. La teoria del campo medio però è ancora da perfezionare e i risultati nei prossimi anni potrebbero rivelare molte sorprese.

In un esperimento in corso presso la Jefferson National Accelerator Facility in Virginia si tenta di spostare i nucleoni più vicini, un po’ alla volta, permettendo ai ricercatori di vederli cambiare. Ci si aspetta da un “esperimento EMC polarizzato” che spezzi l’effetto in base allo spin dei protoni coinvolti rivelando effetti che potrebbero chiarire cosa accade realmente.

Le ricerche sono ancora da affinare e i ricercatori dibattono ancora su molti temi, le due idee per ora rimangono in competizione.

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