Il tauonio, una struttura atomica esotica

Recenti scoperte nel campo della fisica quantistica hanno rivelato strutture atomiche più semplici di quelle dell’idrogeno, tra cui il tauonio, che coinvolgono pure interazioni elettromagnetiche tra particelle come gli elettroni e le loro antiparticelle.

Alla ricerca del tauonio, l’atomo più piccolo

Uno degli aspetti più interessanti di queste nuove rivelazioni è la scoperta del tauonio, un atomo esotico composto da un tauone e dalla sua antiparticella. Il tauonio rappresenta l’atomo più piccolo e più pesante con interazioni puramente elettromagnetiche mai osservato, con dimensioni circa 1/1741 di quelle dell’atomo di idrogeno.

Questa scoperta rivoluzionaria, avvenuta grazie a nuovi metodi di ricerca, ha implicazioni profonde per la nostra comprensione della materia a livello subatomico. Permette di testare i principi fondamentali della meccanica quantistica e dell’elettrodinamica quantistica su scala infinitesimale, offrendo una nuova finestra per esplorare i misteri del mondo microscopico.

L’ atomo di idrogeno un tempo era considerato l’atomo più semplice in natura, composto da un elettrone senza struttura e un protone strutturato. Tuttavia, con il progredire della ricerca, gli scienziati hanno scoperto un tipo più semplice di atomo, costituito da elettroni senza struttura ( e- ), muoni ( μ- ) o tauoni ( τ- ) e le loro antiparticelle altrettanto prive di struttura.

Questi atomi sono legati insieme esclusivamente da interazioni elettromagnetiche, con strutture più semplici rispetto agli atomi di idrogeno, fornendo una nuova prospettiva su problemi scientifici come la meccanica quantistica, la simmetria fondamentale e la gravità.

Ad oggi sono stati scoperti solo due tipi di atomi con interazioni elettromagnetiche pure: lo stato legato elettrone-positrone scoperto nel 1951 e lo stato legato elettrone-antimuone scoperto nel 1960. Negli ultimi 64 anni non ci sono stati altri segni di tali atomi con interazioni elettromagnetiche pure, sebbene ci siano alcune proposte per cercarli nei raggi cosmici o nei collisori ad alta energia.

Il tauonio, composto da un tauone e dalla sua antiparticella, ha un raggio di Bohr di soli 30,4 femtometri (1 femtometro = 10 -15 metri), circa 1/1741 del raggio di Bohr di un atomo di idrogeno. Questo implica che esso può testare i principi fondamentali della meccanica quantistica e dell’elettrodinamica quantistica su scala più piccola, fornendo un potente strumento per esplorare i misteri del mondo micromateriale.

Tauonio: nuovo metodo per identificarlo

Recentemente, uno studio intitolato “Un nuovo metodo per identificare l’atomo QED più pesante” è stato pubblicato sulla rivista Science Bulletin, proponendo un nuovo approccio utilizzato per scoprire il tauonio.

Lo studio ha dimostrato che raccogliendo dati di 1,5 ab-1 vicino alla soglia di produzione della coppia di tauoni in un collisore di elettroni e positroni e selezionando eventi di segnale contenenti particelle cariche accompagnate dai neutrini non rilevati che trasportano energia, il significato dell’osservazione del tauonio supererà i 5σ. Questo indica una forte prova sperimentale dell’esistenza del tauonio.

Lo studio ha inoltre scoperto che, utilizzando gli stessi dati, la precisione della misurazione della massa del leptone tau può essere migliorata fino al livello senza precedenti di 1 keV, due ordini di grandezza superiore alla massima precisione raggiunta dagli esperimenti attuali.

Questo risultato non solo contribuirà alla verifica precisa della teoria elettrodebole nel Modello Standard, ma avrà anche profonde implicazioni per questioni fisiche fondamentali come l’universalità del sapore leptonico.

STCF e SCTF: caccia al tauonio

La scoperta di strutture atomiche esotiche, più semplici dell’idrogeno, rappresenta uno degli obiettivi scientifici più ambiziosi perseguiti dalle proposte Super Tau-Charm Facility (STCF) in Cina e Super Charm-Tau Factory (SCTF) in Russia.

Queste ambiziose iniziative mirano a realizzare un’impresa senza precedenti: identificare l’atomo più piccolo e più pesante che interagisce unicamente tramite forze elettromagnetiche.

Per raggiungere questo traguardo, gli scienziati prevedono di far funzionare gli acceleratori di particelle vicino alla soglia della coppia tauonica per un periodo di un anno. In questo modo, si creerà un ambiente propizio per la produzione e lo studio di questa affascinante particella subatomica, il tauone.

Un aspetto cruciale di questo progetto è la misurazione della massa del tauone con estrema precisione. Tale misurazione fornirà informazioni preziose sulla natura di questa particella e sulle sue interazioni con altre particelle elementari.

L’impegno profuso in queste ambiziose iniziative testimonia la continua fascinazione dell’umanità per l’esplorazione del mondo subatomico. Le scoperte attese da STCF e SCTF rappresenterebbero un passo fondamentale in questo viaggio di conoscenza, permettendoci di svelare i segreti più intimi della materia e dell’universo.