Riproduzione artistica di una trappola di Penning simile a quella utilizzata lo studio. Crediti: Max Planck Institute
Segnatevi questo numero: 0.000548579909067(14)(9)(2).
Le cifre tra parentesi indicano rispettivamente le incertezze statistiche, sistematiche e teoriche di quella che, insieme agli altri quindici numeri dopo la virgola, costituisce la migliore misurazione sperimentale della massa atomica dell’elettrone a disposizione in questo momento (dove la massa atomica dell’elettrone è definita come il rapporto tra la massa dell’elettrone e la massa di un atomo di carbonio-12).
È una stima nuova di zecca che ha ridotto l’incertezza con cui conosciamo questa costante fisica di un fattore 13 rispetto ai risultati precedenti. La nuova massa porta la firma di Sven Sturm e colleghi del Max Planck Institute dell’università di Heidelberg, il cui studio è stato pubblicato oggi online sul sito di Nature.
I ricercatori hanno ottenuto questo nuovo valore della massa atomica dell’elettrone in maniera indiretta, attraverso una misura del momento magnetico di un elettrone legato. Nel loro caso particolare uno ione 12C5+, ovvero un elettrone fortemente legato al nucleo di carbonio. I ricercatori hanno analizzato lo ione grazie a un dispositivo che utilizza i campi magnetici ed elettrici per studiare le proprietà delle particelle cariche (una trappola di Penning) che ha permesso loro di effettuare una misura particolare (per i più appassionati: è la misura del rapporto tra la frequenza di precessione del momento magnetico degli elettroni e la frequenza di ciclotrone dello ione nel campo magnetico della trappola). Combinando poi questa misura con i calcoli teorici i ricercatori hanno infine fornito la loro stima per la massa atomica dell’elettrone, mai così precisa.
Ai non addetti ai lavori può sembrare uno sterile virtuosismo, o tutt’al più un elegante esercizio di stile. Eppure questa nuova misurazione potrebbe portare a nuovi fondamentali sviluppi nel mondo della fisica.
La massa dell’elettrone è una delle costanti fisiche fondamentali, ovvero una di quelle quantità invarianti che hanno un carattere universale e che sono uguali a loro stesse in ogni teoria fisica e in ogni applicazione pratica conosciuta. Inutile specificare l’importanza di queste costanti per costruire una descrizione del mondo coerente, che si tenga in piedi da sé e che permetta di utilizzare negli esperimenti le previsioni e i calcoli buttati giù su carta. Di questo esclusivo club di “pilastri” sui quali costruiamo la nostra conoscenza scientifica fanno parte per esempio la costante di Planck h, la velocità della luce nel vuoto c, la carica dell’elettrone e.
Ma perché conoscere la massa atomica dell’elettrone è così importante? Uno dei risultati migliori della fisica moderna viene dalla teoria quantistica del campo elettromagnetico (Quantum Electro-Dynamics, QED), ed è l’accordo di quasi una parte su trilione tra teoria e esperimenti sul valore del momento magnetico dell’elettrone. Per come è costruita la teoria, ogni minima discrepanza tra questi due valori potrebbe aprire le porte a “nuova fisica”, ovvero a un modo diverso di descrivere il comportamento delle particelle che vada oltre il modello standard e di cui il modello standard potrebbe rivelarsi “solo” una buona (a volte ottima) approssimazione.
Per poter dare un valore teorico del momento magnetico dell’elettrone abbiamo però bisogno di un ulteriore valore, quello della costante di struttura fine. La costante di struttura fine è una misura dell’intensità dell’interazione elettrone-fotone, ovvero è quella quantità che ci dice quanto è forte il legame tra le particelle cariche e la radiazione elettromagnetica. E un metodo per ottenere tale costante passa proprio per la misurazione della massa atomica dell’elettrone.
Quindi, in poche parole, grazie a una reazione a catena di equazioni, una migliore conoscenza del valore della massa dell’elettrone porterà a una migliore misura del buon accodo tra teoria e pratica, e di conseguenza ci dirà se c’è o meno bisogno di una nuova teoria quantistica da qualche parte.