La costante di struttura fine, il “numero magico” che dà forma all’universo

Tra le costanti fondamentali, la velocità della luce “c” gode di tutta la fama, ma il valore numerico di c non dice nulla sulla natura; varia a seconda che sia misurata in metri al secondo o miglia all’ora.

La costante di struttura fine, al contrario, non ha dimensioni o unità. È un numero puro che modella l’universo in misura sorprendente – “un numero magico che ci arriva senza comprensione”, come lo descrisse Richard Feynman.

Paul Dirac considerava l’origine del numero “il problema irrisolto più fondamentale della fisica“.

Numericamente, la costante di struttura fine, indicata dalla lettera greca α (alfa), si avvicina molto al rapporto 1/137. Appare comunemente nelle formule che governano la luce e la materia.

“È come in architettura dove c’è la sezione aurea“, spòiega Eric Cornell, fisico vincitore del premio Nobel che opera a Boulder, presso l’Università del Colorado, e il National Institute of Standards and Technology. “Nella fisica della materia a bassa energia – atomi, molecole, chimica, biologia – c’è sempre un rapporto tra cose più grandi e cose più piccole. Questi rapporti tendono ad essere potenze della costante di struttura fine“.

La costante è ovunque perché caratterizza la potenza della forza elettromagnetica che colpisce le particelle cariche come elettroni e protoni. “Nel nostro mondo quotidiano, tutto è gravità o elettromagnetismo. Ed è per questo che alfa è così importante“, ha detto Holger Müller, fisico dell’Università della California, Berkeley.

Poiché 1/137 è un numero piccolo, l’elettromagnetismo è debole; di conseguenza, le particelle cariche formano atomi ariosi i cui elettroni orbitano a una certa distanza e saltano via facilmente, consentendo legami chimici. D’altra parte, la costante è anche abbastanza grande: i fisici sostengono che se il suo valore fosse qualcosa come 1/138, le stelle non sarebbero in grado di creare carbonio e la vita come la conosciamo non esisterebbe.

I fisici hanno più o meno rinunciato a un’ossessione secolare sulla provenienza del valore particolare di alfa; ora riconoscono che le costanti fondamentali potrebbero essere casuali, decise in lanci di dadi cosmici durante la nascita dell’universo.

Un nuovo obiettivo, però, ha preso il sopravvento. I fisici ora vogliono misurare la costante di struttura fine nel modo più preciso possibile.

Poiché è così onnipresente, misurarla con precisione consentirebbe loro di testare la teoria delle interrelazioni tra le particelle elementari, il maestoso insieme di equazioni noto come Modello standard della fisica delle particelle.

Qualsiasi discrepanza tra misurazioni ultra precise delle quantità correlate potrebbe indicare nuove particelle o effetti non considerati dalle equazioni standard.

Cornell ritiene questo tipo di misurazioni di precisione un terzo modo per scoprire sperimentalmente il funzionamento fondamentale dell’universo, insieme ai collisori di particelle e i telescopi.

In un articolo sulla rivista Nature, un team di quattro fisici guidati da Saïda Guellati-Khélifa presso il Laboratorio Kastler Brossel di Parigi, ha riportato la misurazione più precisa fino ad ora della costante di struttura fine. Il team ha misurato il valore della costante all’undicesima cifra decimale, riportando che α = 1 / 137,03599920611 (le ultime due cifre sono incerte).

Con un margine di errore di appena 81 parti per trilione, la nuova misurazione è quasi tre volte più precisa della precedente migliore misurazione effettuata nel 2018 del gruppo Müller a Berkeley. Müller ha detto della nuova misurazione di alfa del suo rivale: “Un fattore tre è un grosso problema. Non dobbiamo essere timidi nel definire questo un grande risultato“.

Guellati-Khélifa ha migliorato il suo esperimento negli ultimi 22 anni. Misura la costante di struttura fine misurando la forza con cui gli atomi di rubidio si ritirano quando assorbono un fotone (Müller fa lo stesso con gli atomi di cesio). La velocità di rinculo rivela quanto siano pesanti gli atomi di rubidio – il fattore più difficile da valutare in una semplice formula per la costante di struttura fine.

“È sempre la misurazione meno accurata il collo di bottiglia, quindi qualsiasi miglioramento porta a un miglioramento della costante di struttura fine“, ha spiegato Müller.

Gli sperimentatori di Parigi hanno raffreddato gli atomi di rubidio quasi fino allo zero assoluto, quindi li hanno inseriti in una camera a vuoto. Al momento della caduta della nuvola di atomi, i ricercatori hanno usato impulsi laser per mettere gli atomi in una sovrapposizione quantistica di due stati: colpiti da un fotone e non colpiti.

Le due possibili versioni di ciascun atomo viaggiano su traiettorie separate finché più impulsi laser non ricongiungono le metà della sovrapposizione. Più un atomo si ritrae quando viene colpito dalla luce, più è sfasato rispetto alla versione non colpita di se stesso.

I ricercatori misurano questa differenza per rivelare la velocità di rinculo degli atomi. “Dalla velocità di rinculo, estraiamo la massa dell’atomo e la massa dell’atomo è direttamente coinvolta nella determinazione della costante di struttura fine“, ha detto Guellati-Khélifa.

Sorprendentemente, la nuova misurazione differisce dal risultato 2018 di Müller per la settima cifra, una discrepanza maggiore rispetto al margine di errore di entrambe le misurazioni. Ciò significa, salvo alcune differenze fondamentali tra rubidio e cesio, che una o entrambe le misurazioni presentano un errore non considerato.

La misurazione del gruppo di Parigi è la più precisa, quindi per ora ha la precedenza, ma entrambi i gruppi miglioreranno il proprio assetto e riproveranno.

Sebbene le due misurazioni differiscano, corrispondono strettamente al valore di alfa dedotto da misurazioni precise del fattore g dell’elettrone, una costante correlata al suo momento magnetico o alla coppia che l’elettrone sperimenta in un campo magnetico. “È possibile collegare la costante di struttura fine al fattore g con un sacco di matematica“, ha detto Cornell. “Se ci fossero effetti fisici mancanti dalle equazioni [del Modello Standard], la risposta sarebbe sbagliata“.

Invece, le misurazioni corrispondono magnificamente, escludendo in gran parte alcune proposte per nuove particelle. L’accordo tra le migliori misurazioni del fattore g e la misurazione del 2018 di Müller è stato salutato come il più grande trionfo del modello standard. Ancora migliore il nuovo risultato di Guellati-Khélifa. “È l’accordo più preciso tra teoria ed esperimento“, ha detto.

Eppure lei e Müller hanno entrambi deciso di apportare ulteriori miglioramenti. Il team di Berkeley è passato a un nuovo laser con un raggio più ampio (che gli consente di colpire la nuvola di atomi di cesio in modo più uniforme), mentre il team di Parigi prevede di sostituire la camera a vuoto, tra le altre cose.

Che tipo di persona mette uno sforzo così grande in miglioramenti così scarsi? Guellati-Khélifa ha nominato tre tratti: “Devi essere rigoroso, appassionato e onesto con te stesso“. Müller ha detto in risposta alla stessa domanda: “Penso che sia eccitante perché amo costruire macchine belle e luccicanti. E adoro applicarle a qualcosa di importante“.

Come spiega Muller, nessuno può costruire da solo un collisore ad alta energia come il Large Hadron Collider europeo. Ma costruendo uno strumento ultra preciso piuttosto che superenergetico, ha detto Müller, “puoi eseguire lo stesso misurazioni rilevanti per la fisica fondamentale, anche solo lavorando con tre o quattro persone“.