Che forma ha l’elettrone?

Dalla fisica della materia uno sguardo sulle alte energie

di Andrea Signori

La ricerca dei costituenti elementari del mondo che abitiamo è una costante della storia del pensiero: dai filosofi greci e romani (Leucippo, Democrito, Epicuro, Lucrezio eccetera) fino ai moderni fisici delle particelle, tutti si sono chiesti quali fossero veramente gli “a-tomi” (cioè le entità “prive di parti”) della materia che ci circonda. Nel corso dei secoli più volte gli scienziati pensarono di aver dato una risposta definitiva a questo stuzzicante interrogativo, ma dovettero sempre ricredersi. Dagli alambicchi all’LHC: potremmo sintetizzare così la strada percorsa.

Qual è dunque la risposta della scienza odierna? Il Modello Standard della fisica delle particelle (nella sua versione “minimale”) spiega la genesi della materia mediante due famiglie di fermioni elementari (leptoni e quark), i bosoni mediatori delle forze e lo scalare elementare di Higgs, tutti supposti puntiformi e privi di struttura interna. Bene. Tutto chiaro? Pare (ancora una volta!) proprio di no. Fanno molto discutere, infatti, alcune strane proprietà di queste particelle “elementari”. Consideriamo per esempio il quark top, la cui massa è 175 GeV: come è possibile che un quark, uno dei costituenti dei nuclei atomici, abbia una massa superiore a quella di ogni atomo presente nella Tavola Periodica? Ricordiamo infatti che la massa di un nucleone è circa 1 GeV e che i nuclei più pesanti sono costituti da un centinaio di nucleoni. Per non parlare poi del bosone di Higgs, misterioso e sfuggente. La situazione è quindi tutt’altro che chiara, tant’è che esistono parecchie teorie “oltre” il Modello Standard con particelle “elementari” alternative.

Nei giorni scorsi “Nature” ha pubblicato in un articolo i risultati dell’esperimento condotto da B.E. Sauer, J.J. Hudson, D. M. Kara, I.J. Smallman, M.R. Tarbutt e E.A. Hinds, scienziati del Centre for Cold Matter dell’Imperial College di Londra. Il titolo è intrigante: si parla di “momento di dipolo elettrico (EDM) dell’elettrone“. E qui il fisico salta sulla sedia, perché sa benissimo che un EDM è diretta conseguenza di una struttura interna della particella che lo possiede. Di sicuro una proprietà non attribuibile alle particelle puntiformi e prive di struttura! E quindi? L’elettrone, uno dei leptoni fondamentali del Modello Standard, non sarebbe più una particella elementare?

Esempi di molecole polari, dotate cioè di momento di dipolo elettrico intrinseco, associato all'asimmetria nella distribuzione spaziale delle cariche elettriche (D: Debye, unità di misura) (Cortesia: University of Florida)

Un elettrone crea il proprio "vestito" polarizzando il vuoto attorno a sé, estraendo cioè dal vuoto coppie materia-antimateria con cariche elettriche opposte. In QED quest'effetto è calcolato utilizzando diagrammi simili a questo.

Calma. Chiediamoci che senso abbia misurare l’EDM di una particella senza struttura. Già: nessuno. Ma infatti il gruppo di studiosi ha indagato l’EDM dell’elettrone “vestito”, non dell’elettrone nudo e crudo (quello elementare). Con l’aggettivo “vestito” si intende l’elettrone circondato dalla nuvola di coppie materia-antimateria che la sua carica elettrica può eccitare dal vuoto quantistico.

La teoria quantistica dell’elettromagnetismo (QED) spiega come l’elettrone nudo “polarizzi il vuoto”, circondandosi così di coppie particella-antiparticella. Ma quali particelle? Tutte quelle dotate di carica elettrica. Se analizziamo quest’effetto includendo tutte le particelle cariche compatibili con il Modello Standard, otteniamo una “nuvola di vestizione” dell’elettrone con simmetria all’incirca sferica, quindi con EDM praticamente nullo (inferiore a 10^-36 e.cm). Ma, dal momento che questo valore è molto inferiore a quello ottenuto dagli scienziati (6×10^-28 e.cm, con livello di confidenza del 68 per cento), l’esperimento diventa una nuova finestra d’indagine sulla fisica al di là del Modello Standard. Infatti nessuno ci vieta (anzi, ben venga!) di costruire la “nuvola” mediante teorie che estendono il Modello Standard, come la Supersimmetria: inserendo anche i partner supersimmetrici delle ordinarie particelle si ottiene una previsione teorica di EDM ancora vicino allo zero (5×10^-25 e.cm), superiore a quella del Modello Standard ma incompatibile con il dato sperimentale.

La misura della “forma” dell’elettrone “vestito” (o meglio della simmetria delle sue interazioni con il campo elettromagnetico) si rivela quindi una questione tutt’altro che di lana caprina. E dimostra come un esperimento condotto a basse energie (quelle proprie della fisica della materia) possa fare luce sui misteri indagati dai moderni collisionatori adronici (come LHC) a energie molto più alte. Hudson e i suoi colleghi hanno migliorato di un ordine di grandezza (da 10^-27 a 10^-28) la precedente stima sperimentale dell’EDM dell’elettrone, utilizzando monofluoruro di itterbio (YbF) al posto di atomi di tallio (Tl) (si guadagna in termini di intensità di campo elettrico sperimentato dal singolo elettrone). Tuttavia il team di scienziati si propone di migliorare ulteriormente l’efficienza dell’apparato, così da potersi inserire come voce autorevole nel dibattito sulle conferme sperimentale delle teorie della cosiddetta “nuova fisica”.

Hudson, J., Kara, D., Smallman, I., Sauer, B., Tarbutt, M., & Hinds, E. (2011). Improved measurement of the shape of the electron Nature, 473 (7348), 493-496 DOI: 10.1038/nature10104