Per la prima volta, i fisici hanno misurato la forza nucleare debole

Grazie ad un esperimento rivoluzionario, per la prima volta gli scienziati sono riusciti a dare una misura precisa della forza nucleare debole, con un valore pari a 0.0719 (± 0,0045).

In una collaborazione internazionale tra scienziati, chiamato Jefferson Lab Q-weak Collaboration, i fisici hanno sfruttato alcune proprietà della fisica delle particelle per ottenere una misura delle più deboli tra le quattro forze fondamentali della natura.

 

Un po’ di teoria…

In fisica le forze fondamentali sono le forze della natura che permettono di descrivere i fenomeni fisici. Le interazioni tra particelle si dividono in quattro categorie:

1. La forza gravitazionale (o forza di gravità) è quella che viene in mente per prima, ed è anche la più debole.
2. L’altra forza è l’elettromagnetismo, responsabile dell’interazione tra oggetti che possiedono carica elettrica, che sono a loro volta “sorgenti” del campo elettromagnetico che ne rappresenta l’interazione in ogni punto dello spazio.
3. Poi c’è la forza nucleare forte, che agisce su minuscole distanze per legare le particelle chiamate quark in protoni e neutroni attraverso il passaggio di una particella chiamata gluone.
4. Infine c’è una forza nucleare debole, che trasforma i neutroni in protoni, con l’emissione di elettroni e neutrini.

Sebbene non sia neanche lontanamente debole come la gravità, l’interazione nucleare debole rappresenta solo una frazione della forza tra le cariche di un protone e dell’elettrone.

Come hanno fatto?

Il trucco era approfittare di una scoperta fatta negli anni ’50 , definita come l’ “esperimento di Wu”. Condotto nel 1956 dal fisico cinese Chien-Shiung Wu, cercava di stabilire se la conservazione della parità (ovvero la proprietà di un fenomeno di ripetersi immutato dopo un’inversione delle coordinate spaziali.), precedentemente stabilita nelle interazioni elettromagnetiche e forti, si applicava anche alle interazioni deboli.

Mentre la forza debole è difficile da osservare direttamente, la sua influenza può essere avvertita nel nostro mondo quotidiano. La carica debole del protone è analoga alla sua carica elettrica più familiare, e misura l’influenza che il protone esercita sulla forza elettromagnetica. Queste due interazioni sono strettamente correlate nel Modello Standard, una teoria che descrive le forze elettromagnetiche e deboli come due diversi aspetti di una singola forza che interagisce con le particelle subatomiche.

Per misurare la carica debole del protone, un bersaglio contenente idrogeno liquido freddo è stato colpito con un fascio di elettroni, che sono stati successivamente rilevati grazie a un preciso apparecchio di misurazione costruito su misura. La chiave dell’esperimento è che gli elettroni nel fascio erano altamente polarizzati, ovvero precedentemente preparati in moto tale da poter subire una rotazione in direzione del fascio.

Con la direzione della polarizzazione rapidamente invertita in modo controllato, i ricercatori sono stati in grado di utilizzare la proprietà dell’interazione debole, al fine di isolarne i diversi effetti ad alta precisione, calcolandone così la forza.

I risultati dell’esperimento sono quindi in linea con quelli che ci si aspetterebbe in base al Modello standard. “Se la misura avesse deviato dalla previsione, ciò avrebbe portato ad una nuova ipotesi sull’esistenza di un nuovo tipo di forza ancora sconosciuta, che agisce tra particelle fondamentali”, afferma Ross Young, professore associato della School of Physical Sciences dell’Università di Adelaide.