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L’eterna vita del protone

Tutto ciò che ci circonda è fatto di atomi, persino noi stessi, e tutti quegli atomi sono fatti di tre costituenti: protoni, neutroni ed elettroni. Protoni e neutroni sono molto simili, essendo composti dagli stessi quark, particelle ancora più piccole, e hanno quasi esattamente la stessa massa. Tuttavia, i neutroni sono in qualche modo differenti dai protoni: essi non sono stabili perché al di fuori di un nucleo atomico, dopo qualche minuto decadono in altre particelle. E’ possibile che i protoni abbiano un tempo di decadimento finito, seppur lungo?

L’esistenza di protoni liberi è un fatto comune nel cosmo. Nelle galassie, la maggior parte della materia ordinaria, cioè quella visibile rispetto alla materia scura, si trova sotto forma di plasma di idrogeno, gas caldo costituito da protoni ed elettroni liberi. Se i protoni fossero instabili, come i neutroni, alla fine il plasma si dissolverebbe. Ma questo non succede. I protoni, siano essi liberi nello spazio o all’interno degli atomi, sembrano essere decisamente stabili. Non ne abbiamo mai visto uno decadere. Ad ogni modo, in fisica nulla proibisce ad un protone di decadere, almeno in linea di principio. Infatti, varie teorie richiedono che i protoni decadano. Dunque, se i protoni non sono, per così dire, “immortali”, che succede quando essi “muoiono” e cosa rimane della stabilità degli atomi? La fisica fondamentale si basa su leggi di conservazione: cioè alcune quantità sono preservate, come l’energia, il momento angolare e la carica elettrica. La conservazione dell’energia, combinata con la famosa equazione di Einstein E=mc2, significa che le particelle meno massive non possono trasformarsi in particelle più pesanti senza una richiesta di energia. La combinazione della conservazione dell’energia con la conservazione della carica elettrica ci dice che gli elettroni sono probabilmente stabili per sempre: non esiste particella di massa leggera con una carica elettrica negativa, almeno per quanto ne sappiamo finora. I protoni non sono limitati allo stesso modo: in altre parole, essi sono più massivi di un certo numero di altre particelle e il fatto che essi sono costituiti da quark fa sì che essi possono trasformarsi in vari modi. Per confronto, un neutrone decade in un protone, più un elettrone e un neutrino. In questo processo di decadimento, sia l’energia che la carica elettrica sono conservate: un neutrone è leggermente più pesante di un protone e di un elettrone messi insieme e il protone, di carica positiva, bilancia la carica negativa dell’elettrone per far sì che la carica elettrica totale sia nulla prima e dopo il decadimento. L’emissione di un neutrino, o tecnicamente di un antineutrino, la versione dell’antimateria, è necessaria per bilanciare altre cose. Dato che gli atomi sono stabili e dato che non abbiamo mai visto un protone decadere, è probabile che i protoni siano intrinsecamente stabili. “Forse non esiste una legge di conservazione per il protone, come la conservazione della carica per preservare un protone”, sottolinea Kaladi Babu della Oklahoma State University. “Fatevi questa domanda: Che succede se il protone decade? Viene violato qualche principio fondamentale della fisica? La risposta è no!” Se non c’è alcuna regola che governi il decadimento del protone, esiste una ragione per cui gli scienziati si aspettano di osservarne uno? La risposta è si: il decadimento del protone è la predizione maggiormente verificabile di alcune teorie di grande unificazione (GUT, Grand Unified Theories). Queste teorie unificano tre delle quattro interazioni fondamentali della natura: elettromagnetismo, la forza debole e la forza forte. La gravità non è inclusa perché non abbiamo ancora formulato una teoria quantistica della gravità. La prima teoria GUT, proposta negli anni ’70, fu un fallimento. Tra le altre cose, essa sosteneva che la vita media del protone fosse talmente breve che i fisici sperimentali avrebbero dovuto vedere qualche decadimento, mentre essi non ne videro nemmeno uno. Tuttavia, l’idea della grande unificazione continuò ad essere ancora valida che i fisici delle particelle continuarono a cercarla. “L’idea della grande unificazione è davvero elegante e spiega molte cose che sembrano come delle bizzarre coincidenze”, dice il teorico Jonathan Feng della University of California, a Irvine. Feng è particolarmente interessato alla ricerca di una teoria GUT che comprenda la supersimmetria, un’estensione del modello standard che potrebbe spiegare tra i diversi fenomeni anche la materia scura, lo “scheletro cosmico” che “sostiene” le strutture, quali galassie e ammassi di galassie. Le teorie GUT supersimmetriche predicono nuove interazioni che, come una sorta di effetto collaterale, implichino per i protoni un tempo di vita media più lungo, anche se il processo potrebbe essere ancora osservato nell’ambito degli esperimenti di laboratorio. Date le differenze tra teorie GUT supersimmetriche e non, Feng dice che “il tasso del decadimento del protone rappresenterebbe il primo segnale reale della supersimmetria in laboratorio”. Comunque sia, la supersimmetria non è necessaria per le teorie di grande unificazione. Babu crede in una teoria GUT che contempli così tanti aspetti delle versioni supersimmetriche. In termini tecnici si parla di SO(10) poiché la struttura matematica della teoria coinvolge delle rotazioni in 10 dimensioni immaginarie. La teoria include delle proprietà importanti che sono assenti dal modello standard, come le masse dei neutrini, e potrebbe spiegare il perché esiste più materia nell’Universo rispetto all’antimateria. Naturalmente, essa predice anche il decadimento del protone.

Il motivo per cui non abbiamo ancora assistito al decadimento del protone potrebbe essere dovuto al fatto che questi nucleoni decadono raramente, una ipotesi che emerge sia dagli esperimenti che dalla teoria. Gli esperimenti indicano che il tempo di vita media di un protone deve essere superiore a 1034 anni, ossia 1 seguito da 34 zeri. Per confronto, l’Universo ha 13,8 miliardi di anni, cioè 1 seguito da 10 zeri. In media, i protoni saranno più longevi di qualsiasi stella, pianeta o galassia e persino di quegli oggetti che non sono ancora nati. Ma il termine chiave nell’ultima frase è “in media”. Come dice Feng: “Non è che ogni singolo protone sopravviva per 1034 anni per poi svanire alla fine in un grande poof!” Per questioni di fisica quantistica, il tempo per cui un dato protone decade è casuale, perciò una minima frazione di protoni decadrà molto prima di 1034 anni. “Ciò che dobbiamo fare è avere una manciata di protoni”, continua Feng. “Incrementare il numero di protoni aumenta la probabilità che uno di loro potrà decadere mentre li stiamo osservando”. La seconda cosa da fare è isolare l’esperimento dalle particelle che potrebbero simulare il decadimento del protone, perciò tali esperimenti concepiti in particolare per questo studio dovrebbero essere situati ben in profondità nel sottosuolo. Questa è la strategia che sta attualmente seguendo l’esperimento Super-Kamiokande in Giappone, che consiste di una enorme cisterna situata in una miniera contenente 50.000 tonnellate di acqua. Il prossimo esperimento, denominato Deep Underground Neutrino Experiment (DUNE), che sarà situato in una miniera d’oro nel Sud Dakota, sarà dotato di 40.000 tonnellate di argon liquido (post). Dato che i due esperimenti si basano su differenti tipi di atomi, essi sono sensibili al modo con cui potrebbero decadere i protoni, il che permetterebbe di discriminare quale delle teorie GUT sia corretta, se qualcuno degli attuali modelli è giusto. “Entrambi gli esperimenti, Super-Kamiokande e DUNE, studiano la fenomenologia dei neutrini”, aggiunge Feng. “Però siamo anche interessati al decadimento del protone”. Insomma, verificare sperimentalmente il decadimento dei protoni, se essi decadono davvero, sarebbe un impatto immenso verso la comprensione del funzionamento del cosmo al livello più fondamentale.

Symmetry Magazine: Do protons decay?
arXiv: Proton stability in grand unified theories, in strings, and in branes

L. Maiani: The problem of proton decay


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