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Come ti peso i nucleoni

Il fatto che il neutrone sia leggermente più massiccio del protone è la ragione per cui i nuclei atomici hanno esattamente quelle proprietà che costituiscono il nostro mondo e che rendono in ultima analisi possibile la nostra esistenza. Oggi, 80 anni dopo la scoperta del neutrone, un gruppo di fisici europei guidati da Zoltán Fodor, portavoce della collaborazione Budapest-Marseille-Wuppertal, ha finalmente calcolato la minuscola differenza di massa tra il neutrone e il protone. I risultati, pubblicati su Science, sono considerati una pietra miliare e rappresentano una conferma della cromodinamica quantistica, la teoria che descrive dell’interazione forte. Per ottenere questi risultati è stato utilizzato uno dei computer più potenti del mondo: JUQUEEN.

L’esistenza e la stabilità degli atomi sta nel fatto che i neutroni sono leggermente più pesanti dei protoni. Le masse, determinate sperimentalmente, differiscono dello 0,14 percento. Un valore leggermente più piccolo o più grande nella differenza di massa avrebbe portato ad un Universo decisamente diverso, caratterizzato da tanti neutroni, poco idrogeno ed elementi più pesanti. La minuscola differenza di massa è la ragione per cui i neutroni liberi decadono, cioè si trasformano, in media dopo circa 10 minuti, mentre i protoni, i mattoni fondamentali della materia, rimangono praticamente stabili per un periodo illimitato. Nel 1942, circa 40 anni dopo la scoperta del neutrone ad opera di James Chadwick, Harald Fritzsch (Germania), Murray Gell-Mann (USA), e Heinrich Leutwyler (Svizzera) presentarono una teoria consistente delle particelle e delle interazioni, che formano i neutroni e i protoni, nota come cromodinamica quantistica. Oggi, sappiamo che i protoni e i neutroni sono composti di quark “up” e “down”: il protone è composto di un quark-down e di due quark-up mentre il neutrone di un quark-up e di due quark-down. Nel corso degli ultimi anni, le simulazioni con i supercomputer hanno confermato che la maggior parte della massa del protone e del neutrone risulta dall’energia trasportata dai loro quark secondo la famosa formula di Einstein E=mc2. Tuttavia, un contributo minore è dato dal campo elettromagnetico che circonda il protone rendendolo più pesante di una quantità pari allo 0,1 percento rispetto al neutrone. Il fatto che la massa del neutrone sia più grande è evidentemente dovuto alle differenti masse dei quark, così come è stato dimostrato dai ricercatori a seguito di simulazioni estremamente complesse.

Il supercomputer JUQUEEN. Credit: Jülich Supercomputing Centre

Per eseguire i calcoli, gli scienziati hanno sviluppato una nuova classe di simulazioni mettendo insieme le leggi della cromodinamica quantistica con quelle dell’elettrodinamica quantisitca al fine di determinare in maniera estremamente rigorosa gli effetti dell’interazione elettromagnetica. Dopo aver controllato tutte le possibili sorgenti di errore, i ricercatori hanno dimostrato con successo come le forze della natura siano “ben sincronizzate”. I risultati di questo studio aprono una finestra verso una nuova generazione di simulazioni che potranno essere utilizzate per determinare le proprietà dei quark, dei gluoni e delle particelle nucleari. Secondo Kálmán Szabó, co-autore dello studio, in futuro saremo in grado di verificare il modello standard delle particelle elementari con una precisione 10 volte migliore, un fatto che potrebbe permetterci di identificare gli effetti di una nuova fisica al di là del modello standard.

Forschungszentrum Jülich: Theory of the Strong Interaction Verified
Science: AB INITIO CALCULATION OF THE NEUTRON-PROTON MASS DIFFERENCE