La forma dell’elettrone

Ricercatori statunitensi sviluppano una tecnica per misurare il momento di dipolo elettrico della particella: un passo fondamentale per stimare la sua “forma”. Tra le possibili applicazioni, l’informatica quantistica. Lo studio è pubblicato su Science

di Viola Rita Spinning trap

Rappresentazione artistica della tecnica messa a punto dal JILA per misurare la sfericità dell’elettrone. Crediti: Baxley/JILA

Ma l’elettrone è perfettamente “sferico”? A porsi questa domanda, un gruppo di ricercatori statunitensi ideatori di un metodo che, in un futuro non lontano, potrà permettere di effettuare questa misura di precisione, dato che riesce a tenere in “trappola” alcune molecole per un tempo abbastanza lungo. Con applicazioni potenziali che vanno dal miglioramento dei computer quantistici fino ad affinare i calcoli scientifici di tutti i giorni. Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, è stato realizzato dal Joint Institute for Laboratory Astrophysics (JILA) – un istituto congiunto con il National Institute of Standards and Technology (NIST) e con la University of Colorado Boulder – insieme alla Kansas State University di Manhattan.

Insomma, è un po’ come se i ricercatori si stessero chiedendo se l’elettrone somiglia di più a una pallina da tennis oppure a un uovo; tuttavia, dato che l’elettrone è una particella elementare – indivisibile – e non strutturata, il termine “forma” si riferisce in realtà alla simmetria delle sue interazioni con i campi esterni, con altre cariche. In questo caso, la grandezza da stimare è il “momento di dipolo elettrico” (eEDM), che in generale quantifica la separazione tra due cariche di segno opposto: l’eventuale presenza di questo momento indicherebbe asimmetrie nella forma della particella dovute a queste interazioni.

Secondo il Modello standard, la teoria fisica che da quasi mezzo secolo descrive tutte le particelle esistenti, il momento di dipolo deve essere nullo e dunque l’elettrone è completamente sferico. Altre teorie, che introducono l’esistenza di nuove particelle finora inosservate (nuova fisica), prevedono però un eEDM non nullo: in base ad esse la forma della particella potrebbe non essere perfettamente simmetrica.

Misurare l’eEDM, e dunque risolvere questo dubbio, è difficilissimo: lo stesso Eric Cornell, uno degli autori di questo studio, ha affermato che si tratta di una sfida simile a quella di cercare un singolo virus dentro ad un oggetto delle dimensioni della Terra.

Non si sono però tirati indietro, gli scienziati del JILA: “Questo studio presenta un nuovo metodo per raggiungere un limite migliore” del momento di dipolo elettrico dell’elettrone, ha affermato Cornell. “La nostra speranza è di poter superare i limiti esistenti ed ottenere un risultato più preciso, ma questo sarà possibile fra non prima d’un paio d’anni”.

I ricercatori hanno misurato alcune proprietà dell’elettrone in velocità attaccandolo a una molecola più grande: per la prima volta è stata utilizzato un composto polare – con una carica positiva da un lato e una carica negativa dall’altro – chiamato fluoruro di afnio. Questa genere di molecola può rimanere intrappolata in un particolare stato fisico anche per un decimo di secondo, un tempo sufficiente per le misure di precisione.

Il metodo, sviluppato da Cornell in collaborazione con Jun Ye del JILA-NIST – pioniere dell’uso di molecole polari in questo tipo di ricerca – consiste nell’applicare alle molecole polari un campo elettrico ed un campo magnetico che ruotano abbastanza velocemente da intrappolarli ma anche lentamente ad un punto tale che gli esse risultino allineati col campo elettrico. In questo stato, le molecole, come in una sorta di trappola, ruotano seguendo dei caratteristici micro-cerchi: i ricercatori riescono così a misurarne alcune proprietà e potrebbero in futuro stimare la forma degli elettroni.

Altre potenziali applicazioni riguardano l’informatica: il quantum bit – cioè l’unità di informazione quantistica – potrebbe essere in grado di mantenere per un tempo più lungo l’informazione; mentre le simulazioni su sistemi quantisitici “spin-based” (basati sullo spin) potrebbero essere semplificate. Da non dimenticare, inoltre, che questa tecnica può essere utilizzata per investigare variazioni nelle costanti fisiche fondamentali, usate nei più comuni calcoli scientifici.

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