Una forma esotica della materia sfida le leggi della fisica

Per più di settant'anni, gli scienziati hanno pensato di possedere una comprensione molto precisa di come funzionano le forze elettriche e magnetiche. Tuttavia, studiando il comportamento di un atomo esotico chiamato “positronio” hanno trovato una differenza tra la previsione e la misurazione del livello di energia di una specifica transizione energetica, questa scoperta potrà portare la scianza verso una nuova fisica.

3604
Indice

L’elettricità e il magnetismo sono due delle manifestazioni della natura più note oggi studiate. Abbiamo sperimentato tutti o quasi l’effetto di uno shock statico in una secca giornata invernale, o abbiamo osservato come i magneti vincono la gravità. Conosciamo inoltre la combinazione delle due forze chiamata elettromagnetismo che permette trasmissioni radiofoniche e televisive, e tiene insieme gli  atomi e le molecole di cui siamo fatti.
Eppure, una nuova stima, eseguita da David Cassidy e dai colleghi dell’University College di Londra, nel Regno Unito, ha il potenziale per indurre i ricercatori a rivedere le teorie che raccontano come si comportano queste forze. I fisici hanno studiato il comportamento di un atomo esotico chiamato “positronio” e hanno trovato una differenza tra la previsione e la misurazione del livello di energia di una specifica transizione energetica. Il positronio è un atomo costituito esclusivamente da un elettrone e da un anti elettrone (la controparte di antimateria o positrone). Considerato che il positronio non è costituito da protoni o neutroni, non è influenzato dalla forza nucleare forte, e quindi è un laboratorio ideale per testare quanto sappiamo dell’elettromagnetismo.
La differenza tra il livello di energia previsto e quello misurato conduce a una differenza dello 0,1% nella frequenza delle microonde necessarie per spingere l’atomo a cambiare livello.
Per più di settant’anni, gli scienziati hanno pensato di possedere una comprensione molto precisa di come funzionano le forze elettriche e magnetiche.
Nel 1948 i fisici svilupparono una teoria chiamata elettrodinamica quantistica , o QED. La teoria combinava elettricità, magnetismo, meccanica quantistica e la teoria della relatività speciale di Einstein.
La teoria QED è stata pensata inizialmente per apportare piccole correzioni alle previsioni fatte da una precedente teoria elettromagnetica, chiamata Teoria di Dirac.
Il ricercatore Willis Lamb misurò gli atomi di idrogeno usando fasci di microonde. Scoprì che due transizioni atomiche che si aspettava fossero identiche, erano in realtà diverse. Diede notizia del suo risultato alla Shelter Island Conference, tenutasi nell’estate del 1948. La differenza era molto piccola, circa una parte su un milione. Un altro ricercatore, con l’insolito nome di Polykarp Kusch, scoprì che le proprietà magnetiche dell’elettrone (chiamato momento magnetico dell’elettrone) differivano dalle previsioni di circa lo 0,1%.
La teoria QED è in grado di prevedere correttamente sia la misurazione di Lamb sia quella di Kusch. La teoria di Dirac è stata accantonata e la nuova teoria QED è stata la teoria accettata dell’elettromagnetismo per oltre sette decenni. Sia la teoria che la misurazione sono state migliorate nel corso degli anni. La previsione e la misurazione del momento magnetico dell’elettrone ora concordano fino alla dodicesima cifra. La QED è una delle teorie testate con maggiore precisione in tutta la fisica moderna.
Questo la rende ancora più interessante nella misurazione del positronio effettuate da Cassidy e dai suoi collaboratori. Hanno usato la QED per fare le loro previsioni ed è stata osservata una discrepanza dello 0,1%. Per gli sperimentatori abituati alla precisione del QED, questo è un mistero sconcertante.
Naturalmente, misurare la frequenza di transizione per il positronio è molto complicato. Poiché il positronio è composto da un elettrone e da un positrone, si annichilisce in poche centinaia di miliardesimi di secondo. Inoltre, il positronio viene prodotto creando prima i positroni mediante potenti laser o fasci di particelle, quindi sparando i positroni su materiale contenente elettroni. Il risultato è un atomo di positronio con una quantità variabile di energia. Ciò rende la misurazione ancora più complessa.
Il gruppo di Cassidy ha utilizzato i laser per portare il positronio in uno stato con una durata prolungata utilizzando inoltre tecniche avanzate per raffreddare il positronio in modo che la sua energia fosse molto bassa. Infine, hanno utilizzato microonde a bassa potenza per indurre le transizioni. La bassa potenza assicurava che qualsiasi distorsione della misurazione dovuta al processo di misurazione stesso fosse molto piccola.
Il gruppo ha osservato che la frequenza necessaria per causare la transizione tra i livelli di energia è di circa lo 0,1% superiore a quella prevista dalla teoria QED.
Le ricerche non hanno una spiegazione. Un errore di calcolo è estremamente improbabile. È possibile un errore di misurazione, poiché il processo è difficile. Tuttavia, i ricercatori ritengono di comprendere i limiti del loro sistema e hanno riportato un’incertezza associata che riflette le prestazioni del loro apparato. La previsione e la misurazione sono in disaccordo in misura maggiore di quanto consentano le incertezze. Se i risultati reggono a ulteriori studi, significa che è necessaria una nuova fisica per spiegare la discrepanza.
Gli scienziati sono consapevoli di un’altra interessante possibile discrepanza tra la misurazione e le previsioni della teoria QED. Questa discrepanza emerge negli studi sulle proprietà magnetiche del muone, che è un cugino pesante e instabile dell’elettrone. Nel 2001, i ricercatori del Brookhaven National Laboratory hanno effettuato misurazioni molto precise del momento magnetico del muone, indicato con 12 cifre di accuratezza. La previsione è altrettanto precisa. le due proprietà sono in disaccordo per una quantità molto piccola, ma più grande di quanto le incertezze possano spiegare.
Questa discrepanza è un’opportunità per la fisica. Una nuova misurazione delle proprietà magnetiche del muone è in corso presso il Fermi National Accelerator Laboratory. Questa misurazione dovrebbe essere più precisa di quella effettuata al Brookhaven. Inoltre, si prevede che il gruppo di ricerca annuncerà i propri risultati probabilmente all’inizio del 2021.
Data la precisione della QED, la recente discrepanza nella misurazione del positronio e la discrepanza nota da tempo nelle proprietà magnetiche dei muoni sono molto interessanti per gli scienziati. Se confermati, uno o entrambi potrebbero portare gli scienziati verso una nuova fisica. Considerato il successo delle attuali teorie sulla fisica delle particelle, la prospettiva che potremmo essere vicini a un progresso nella comprensione delle leggi dell’universo significa che gli scienziati stanno aspettando con impazienza il prossimo annuncio.
Fonte: https://www.forbes.com/sites/drdonlincoln/2020/12/14/exotic-form-of-matter-challenges-the-laws-of-physics/