Anatomia del neutrone

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1 Timothy Pal Smith è assistant research professor di fisica al Dartmoth College di Hanover, negli Stati Uniti. Ha diretto lo svilppo dei programmi informatici per BLAST, esperimento in ci è ancora coinvolto presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility, in Virginia. fisica Anatomia del netrone Una serie di esperimenti ha stiato il netrone con na risolzione senza precedenti stravolgendo la nostra visione di qesta particella di Timothy Pal Smith è composto da tre tipi di particelle. Ci sono gli elettroni, che hanno carica negativa e orbitano intorno al ncleo con velocità fino al dieci per cento la velocità della lce; le loro orbite ricordano qelle dei pianeti e il loro moto è dinamico ed eccitante. Ci sono i protoni, particelle di grande massa che si trovano nel ncleo dell atomo. Grazie alla forza di attrazione dovta alla loro carica positiva, i protoni man- L atomo tengono gli elettroni in orbita, come meteoriti. Qesti de tipi di particelle determinano forma, chimica e dinamica dell atomo. E poi c è il netrone: dal pnto di vista elettrico è netro, sta a gardare la danza atomica, senza prendervi parte. Sembra no spettatore. Tttavia il netrone ha na propria vita. La sa sperficie ribolle di nove particelle e il so core è n fermento di particelle ancora più piccole, come qark e gloni. Negli ltimi dieci anni abbiamo ragginto na conoscenza più chiara di qesta particella netra. Prima, qando si gardava l atomo, l ingrandimento non era qello gisto per osservare il netrone, vibrante di vita. Per lngo tempo il netrone è stato considerato no spettatore qieto delle dinamiche atomiche e na particella semplice da descrivere, composta da de qark down e da n qark p tenti insieme da gloni e in orbita intorno a centro ttti alla stessa distanza. Negli ltimi dieci anni però diversi laboratori hanno stiato il netrone con na risolzione senza precedenti che ha stravolto la visione di qesta In breve particella elettricamente netra. I dati indicano che il netrone è dinamico: emette e assorbe in continazione particelle sbatomiche di ogni tipo. Inoltre la sperficie del netrone è dominata dai qark down, con carica elettrica negativa, mentre all interno c è na regione in ci si trova il qark p, carico positivamente. Il centro è soggetto a forti effetti relativistici e sembra dominato dal qark p. Arscimed/SPL/Contrasto Visto da vicino. Modello elaborato al compter della strttra di n netrone. Qesta particella è composta da de qark down (sfere rosse) e da n qark p (sfera bl), tenti insieme dalla forza ncleare forte, mediata dai gloni che formano na specie di nvola intorno ai qark. 72 Le Scienze 522 febbraio Le Scienze 73

2 Per capire il netrone dobbiamo gardare a na scala 1. volte più piccola dell atomo. Per avere n idea delle dimensioni in gioco, consideriamo qanto sege: n globlo rosso ha n diametro di circa,1 metri, circa 1. volte più piccolo di n essere mano. Un atomo è 1. volte più piccolo di n globlo rosso, e n netrone o n protone sono circa 1. volte più piccoli di n atomo. Il diametro di qeste particelle è n femtometro (1 15 metri), che nel lingaggio delle particelle e della fisica ncleare di solito si chiama «fermi», in onore del grande fisico Enrico Fermi, a capo del grppo di ricerca che costrì il primo reattore ncleare. Eppre, 1. è n nmero difficile da visalizzare. Per dare n idea delle scale di ci stiamo parlando, se n atomo fosse grande come la Valle d Aosta, il ncleo sarebbe grande come na persona che si trova in qella regione, e a parte l elettrone che orbita lngo i confini il resto della regione sarebbe voto. All interno del ncleo, protoni e netroni sono strettamente impacchettati. Pensiamo a na pila di mele al mercato o, ancora meglio, na pila di mele e arance, mischiate insieme a rappresentare i de tipi di particelle. Collettivamente le particelle si chiamano «ncleoni», perché hanno molte caratteristiche fisiche simili, inclse dimensione e massa, sebbene non gali. I ncleoni hanno n diametro di 1,7 fermi, qindi n ncleo grande come qello dell ranio-238 (cioè con 238 ncleoni) ha n diametro di circa 15 fermi. L atomo più semplice, l idrogeno, è composto da n protone e n elettrone, il netrone è opzionale. Ma se gardiamo a qalsiasi altro elemento, ci sarà almeno n netrone. Dopo l idrogeno, l atomo più semplice è l elio-3, n «isotopo» dell elio; gli isotopi hanno lo stesso nmero di protoni, ma n nmero diverso di netroni. L elio-3 è composto da de elettroni, de protoni e n netrone. Senza qel netrone, l atomo si distrggerebbe: la replsione elettrostatica tra Vecchi strmenti. Il rivelatore per netroni costrito da Chadwick nel A fronte, il pacchetto di sigarette in ci lo scienziato, che ha scoperto il netrone, conservava fogli di allminio e paraffina per lo strmento. i de protoni sarebbe troppo grande per permettere l esistenza di n atomo di elio-2. Ma con i netroni a fare da cscinetto tra i protoni, atomi ed elementi più pesanti possono esistere. Sebbene il netrone sia parte necessaria di ttti gli elementi più grandi dell idrogeno, ha sempre n po qest aria da cgino scemo del protone. Il so raggio d inflenza è corto, e sembra proprio stia lì a far niente. Mentre nell elio i protoni tengono agganciati gli elettroni, e nel frattempo si azzffano e si spintonano tra loro nel ncleo, i netroni fanno da paciere. Ma non fanno tappezzeria mentre gli altri ballano: hanno na fnzione critica nella formazione di qasi ttte le cose. Negli ltimi sessant anni, i fisici hanno sondato il netrone e il protone per misrarne le dimensioni e caratterizzarne la «forza ncleare» a corto raggio, che tiene insieme i ncleoni. Negli ltimi 45 anni i ricercatori hanno iniziato a vedere i ncleoni come n sistema di particelle più piccole: qark e gloni. Attalmente ci stiamo chiedendo come si dispongono i qark: formano sistemi planetari, come gli elettroni, oppre l interno di n ncleone è n bino amorfo di qark e gloni? A rendere ancora più difficile il problema dello stio dei ncleoni (come se lavorare a qeste dimensioni non fosse abbastanza), è il fatto che non si è mai osservato n qark da solo, e non ci si aspetta di riscirci. Eppre ci sono modi per estrarre informazione da n netrone e lo sforzo sperimentale e teorico di oggi sta prodcendo n immagine della sa anatomia. I primi anni La parola «netrone» f sata per la prima volta nel 1899 per descrivere na combinazione ipotetica di elettroni positivi e negativi che potevano esistere nell «etere». L idea però non prese piede. Nel 192, il leggendario fisico britannico Ernest Rtherford DK Limited/Corbis SSPL/Getty Images tenne na Bakerian Lectre, prestigiosa conferenza annale della Royal Society a Londra, in ci presentò lo stato della fisica ncleare del tempo. Rtherford sapeva dell elettrone, era stato isolato e caratterizzato nel 1896, e sapeva anche del protone: aveva dimostrato che il ncleo dell atomo di idrogeno (che chiamò «protone», cioè «prima particella») si trovava in ttti gli atomi. Ma il ncleo era incompleto. Per esempio, il ncleo dell atomo di carbonio ha la carica elettrica di sei protoni, ma la massa di 12. Peisolvere il dilemma Rtherford ipotizzò che ci fossero elettroni nel ncleo, in modo da cancellare la carica di metà dei protoni. Qesto modello aderiva a n principio di semplicità: Rtherford conosceva de particelle, e cercò di risolvere il problema della massa in eccesso con na combinazione delle de, e non con na solzione radicale che prevedeva l introdzione di na nova particella. Nel 1921 diversi esperimenti cercavano di trovare qesto sistema compatto protone-elettrone, con la parola «netrone» proposta per descriverlo. Nei primi anni trenta alcni fisici osservarono n novo tipo di radiazione, emessa qando n atomo era bombardato da particelle alfa (nclei di elio, come si scoprì in segito), indicando che qalcosa veniva sparato fori dall atomo. Ma la scoperta del netrone f attribita al fisico britannico James Chadwick, perché mostrò che qesta nova radiazione si spiegava con na particella di massa gale al protone, invece che con n fotone o con i raggi X. Qello che Chadwick pensava di aver trovato nel 1932 era il sistema protone-elettrone di Rtherford, il netrone. Ma drante la conferenza per il Nobel assegnatogli nel 1935 Chadwick rivelò che la teoria della combinazione elettrone-protone era morta per diverse importanti ragioni. Prima di ttto la meccanica qantistica indicava che n sistema elettrone-protone avrebbe sempre avto l aspetto di n atomo di idrogeno, con n raggio di circa 1 1 metri, e non i 1 15 metri del ncleo. E poi qesta nova particella non «decade» (cioè non emette particelle qando è bombardata) come invece avrebbe fatto l elettrone-protone di Rtherford. Inoltre il so «spin», na proprietà qantomeccanica legata al momento angolare delle particelle sbatomiche, non si risciva a prodrre con na combinazione di protoni ed elettroni. In realtà il netrone è na particella, proprio come il protone. Ma la descrizione del 1935 è dove molti di noi iniziano e finiscono: il netrone è elettricamente netro, è attratto da altri netroni e protoni da na forza ncleare a corto raggio, e qesto è ttto qello che pensiamo sia necessario sapere. Il 1935 f anche l anno in ci si fece n passo avanti. Il fisico Hideki Ykawa lavorava all Università di Osaka, in Giappone, cercando di scoprire che cosa tiene insieme i ncleoni. La forza ncleare è molto diversa da qella gravitazionale o elettromagnetica, il so raggio d azione è molto breve: solo no o de fermi, mentre le altre de forze si fanno sentire a galassie di distanza. Ykawa ipotizzò na nova classe di particelle, i «mesoni», che si spostano slla brevissima distanza tra n ncleone e l altro, legandoli insieme. Il primo tipo di mesone, il «pione», sarebbe stato osservato solo na decina d anni più tardi, ma il ragionamento di Ykawa era così convincente che fisici importanti come Werner Heisenberg, Enrico Fermi e altri ancora crearono na «teoria del campo mesonico» per spiegare la forza ncleare. Negli anni cinqanta era ormai accettato che i ncleoni sono circondati da na nvola di pioni, più o meno come no sciame di moscerini che a volte vi circonda la testa nelle sere d estate. I pioni sono costantemente creati e assorbiti slla sperficie dei netroni e dei protoni; inoltre, dato che per essere creati devono prendere in prestito energia e che sono particelle qantistiche, la drata della loro vita e la distanza che percorrono sono limitate dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che governa le flttazioni qantistiche di coppie di certe proprietà, come energia e tempo, o posizione e qantità di moto. Rtherford e Chadwick avevano sato fonti radioattive per stiare protoni e netroni; analogamente i primi pioni frono scoperti nei raggi cosmici. Ma dopo la seconda gerra mondiale si svilppò n novo strmento che permetteva di sondare la materia in maniera molto controllata: l acceleratore di particelle. Qesto dispositivo sa campi elettromagnetici per far movere le particelle ad alta velocità, confinandole in n fascio sottile che qindi pò essere sato per analizzare la composizione della materia. L energia del fascio si misra in elettronvolt: n elettronvolt è la qantità di energia cinetica che n elettrone libero accmla qando attraversa na differenza di potenziale elettrico di n volt. L energia del fascio di n acceleratore è in relazione diretta con il so potere di risolzione. Per esempio, n acceleratore con n fascio di n milione di elettronvolt pò sondare i dettagli della materia a na risolzione circa 1 volte più piccola dell atomo. Un acceleratore con n fascio da n gigaelettronvolt arriva a circa n fermi (1 15 metri). 74 Le Scienze 522 febbraio Le Scienze 75

3 d d Protone Protone d d d Protone Versione semplice. Nel più semplice dei modelli a qark, la carica dei qark p () Densità Densità di di carica carica e dei qark down (d) nel protone (a sinistra, in alto) ha somma +1, e la particella ha n raggio di carica (a sinistra, in basso) gale a,8 fermi. Nel netrone, la carica dei qark ha + somma zero + (a destra, in alto) e qesto annlla la densità di carica a qalsiasi distanza dal centro (in basso, a destra). d d d Protone Protone d Versione con spin. In n modello a qark che incle lo spin (frecce nere) c è replsione tra qark con spin paralleli, qindi i qark avranno orbite leggermente distorte. Nel protone l effetto sl raggio di carica (qi a fianco, in basso) in pratica non si avverte. 1 Invece 3 nel 1 netrone 1 il risltato è na 3 3 d d sperficie leggermente negativa e n centro leggermente positivo (a destra, in basso). 1 3 Protone Nel 1951 n acceleratore alla Stanford University prodsse n fascio da 6 milioni di elettronvolt, qindi per la prima volta i fisici riscirono a gardare direttamente netroni e protoni. Un acceleratore non permette di «vedere» n netrone; qello che fa è misrare n parametro chiamato «sezione d rto», cioè la probabilità che gli elettroni sparati dall acceleratore rimbalzino via dal bersaglio con na certa energia e n certo angolo (detto «angolo di diffsione»). I teorici calcolano in modo indipendente come gli elettroni dovrebbero essere deviati secondo i loro modelli. Confrontando le sezioni d rto degli esperimenti con le previsioni teoriche, si pò scegliere la teoria che meglio spiega i dati. Le eqazioni delle sezioni d rto si possono dividere in de parti: la diffsione elettrica e la diffsione magnetica. Gli elettroni si diffondono elettricamente a casa della loro carica, ma si diffondono anche magneticamente a casa del loro spin: possono interagire come piccoli magneti. Qeste de parti si chiamano «fattore di forma elettrico» e «fattore di forma magnetico». Con na combinazione accrata di energie diverse dei fasci di particelle e di angoli diversi nei rivelatori si possono misrare separatamente qeste de componenti e ricostrire la strttra del ncleone. Verso la metà degli anni cinqanta il fisico Robert Hofstadter di Stanford organizzò n esperimento in ci diresse il fascio di elettroni dell acceleratore verso n bersaglio di idrogeno. A qeste energie il fascio interagisce appena con gli scarsi e velocissimi elettroni di qesto atomo, qindi l idrogeno è essenzialmente n bersaglio protonico. Hofstadter misrò i fattori di forma del protone, da ci dedsse il raggio di carica e magnetico del protone in,8 fermi. Qesti raggi sono le distanze a ci la carica o l interazione magnetica diventa forte, e definiscono la sperficie a ci avviene la diffsione (il «rimbalzo»). Le misrazioni del netrone sono più difficili, perché non si pò mettere n barattolo di netroni di fronte al fascio. Però si pò misrare la sezione d rto di n detone, il ncleo di n atomo di deterio (n isotopo dell idrogeno). Un detone è composto da n protone e n netrone debolmente legati. Così, se misriamo la sezione d rto di n detone e sottraiamo la sezione d rto del protone, otteniamo (qasi) la sezione d rto di n netrone. Qando Hofstadter osservò il netrone scoprì che il raggio magnetico era di,8 fermi, essenzialmente lo stesso del protone. Ma il raggio di carica del netrone era zero, per qanto si potesse evincere dalla precisione degli esperimenti. Qesto risltato non è sorprendente: il raggio di carica è legato alla carica elettrica, e se c è na cosa che sappiamo del netrone è che non ha carica. Con il modello a qark La visione di qanto accade all interno di netrone, protone e pione cambiò radicalmente nel 1964, qando Mrray Gell-Mann del California Institte of Technology e George Zweig del CERN di Ginevra formlarono indipendentemente il modello a qark. Le loro teorie ipotizzavano che le particelle pesanti (inclsi netroni, protoni e altre particelle esotiche) appartenessero al grppo dei «barioni», cioè particelle costitite da tre qark. I mesoni (le particelle intermedie come i pioni) sono invece costititi di na coppia qarkantiqark (gli antiqark sono fatti di antimateria, hanno proprietà dello stesso valore assolto ma di segno opposto rispetto ai qark). Le particelle leggere come gli elettroni si chiamano «leptoni», e sono particelle fondamentali, qindi non costitite da qark. I qark sono di sei tipi diversi, chiamati anche «sapori», ma la maggior parte delle particelle (e ttte qelle comni di ci si discte in qesto articolo) sono composte da de tipi più leggeri di qark: i qark p e i qark down. Una delle ragioni più importanti che rese il modello a qark così attraente era il fatto che, con pochi tipi di qark, si descriveva n gran nmero di particelle. Oggi il modello a qark è al centro della cromodinamica qantistica (che alle al «colore» dei qark), la teoria più precisa per descrivere le particelle di dimensione gale o minore ai ncleoni. Un protone è composto da de qark p e n qark down, mentre il netrone è costitito da de qark down e n qark p. Qesti grppi si chiamano «qark di valenza»: determinano le proprietà della particella che si possono osservare, come il tipo e la carica. Poi ci sono i «gloni», che viaggiano avanti e indietro tra n qark e l altro e li tengono insieme, n po come i pioni fanno con i ncleoni. (Si chiamano «gloni» dalla parola inglese gle, «colla», perché «incollano» insieme i qark.) All interno del ncleone si trova anche il «mare di qark», n infinita scorta di coppie qark-antiqark che si creano per qalche brevissimo istante e poi Grafici di Danilo Sossi s indicazione dell atore (in qesta pagina e nella pagina a fronte); Bettmann/Corbis (fonte di netroni, pagina a fronte) Prime sorgenti. Macchina per la prodzione di netroni costrita da Richard Crane (a sinistra) e Andrew Soltan (a destra) nel 1933, cioè solo n anno dopo la scoperta di qeste particella, al California Institte of Technology di Pasadena. svaniscono. L immagine cromodinamica di qanto accade in n netrone è complessa e difficile da calcolare, qindi di solito si descrivono i ncleoni in termini del modello a qark costitenti, che si concentra solo si qark di valenza. Dato che i protoni hanno na carica totale di +1 e gli elettroni di 1, i qark p hanno carica +2/3, e i qark down 1/3. Inoltre nel modello a qark costitenti ci si aspetta che i tre qark orbitino attorno al centro del grppo più o meno alla stessa distanza. Per il protone, le cariche dei qark hanno somma +1. Il so raggio di carica e il so raggio magnetico dipendono dall orbita dei qark e dal loro spin, che concordano con i risltati di Hofstadter. Il netrone però è n po diverso. Ha n raggio magnetico, dato dalla posizione dei qark, ma la cosa interessante è che le cariche dei qark p e down si cancellano, come è gisto, a qalnqe distanza dal centro. Qindi il netrone ha carica nlla e raggio di carica nllo (si veda l illstrazione nella pagina a fronte). Ma non è ttto. Abbiamo visto che, oltre alla carica, i qark hanno anche spin. Qesta proprietà fa sembrare qark ed elettroni piccole palline che rotano attorno al loro asse, che è difficile per n oggetto pntiforme. Pensiamo però a na palla che rimbalza sl bordo del biliardo: il modo in ci rimbalza dipende dall «effetto» (spin in inglese). La matematica che descrive l interazione di palle a effetto descrive anche le particelle che hanno spin. In particolare l orientazione dell effetto, cioè dello spin, è importante. Le particelle interagiscono diversamente a seconda che i loro spin coincidano oppre no. I qark hanno anche na «carica di colore»: colore è il nome stravagante dato alla carica di interazione forte che tiene insieme i qark. La carica di colore è più forte della carica elettrica di de ordini di grandezza. Dato che i qark si legano tra loro solo se hanno la stessa carica di colore, all inizio ci aspettiamo che siano simmetrici. Ma qesto porta a problemi interessanti dovti al principio di esclsione di Pali, che governa le simmetrie delle particelle, e dice che se c è più di na particella nello stesso posto, le loro proprietà (come lo spin) devono essere diverse. I de qark down sono simmetrici rispetto all orbita (cioè si trovano slla stessa orbita), e antisimmetrici in carica di colore, qindi i loro spin devono essere paralleli e, come de magneti, si respingono. Nel nostro semplice modello, dnqe, le orbite dei qark sono leggermente distorte. 76 Le Scienze 522 febbraio Le Scienze 77

4 Nel protone qesta proprietà porta a n cambiamento molto sottile nella distribzione di carica, ma per il netrone l effetto è più pronnciato. Ora, i qark down sono leggermente più lontani dal centro dei qark p, qindi le cariche non si cancellano perfettamente a ogni distanza dal centro. Se qesto modello è gisto, ci aspettiamo che il netrone sia leggermente negativo slla sperficie, e leggermente positivo nel mezzo (si veda l illstrazione a p. 8). Qesta differenza, qesta deviazione dalla densità di carica zero rende il netrone nico ed estremamente interessante. Ci potrebbe dire qalcosa sll eqilibrio tra gli effetti dello spin e gli effetti cromodinamici. Se si riscisse a misrare la distribzione di densità di carica del netrone, e risltasse non nlla, otterremmo informazioni difficili da ottenere nel caso del protone, ecco perché il netrone merita attenzione di per sé. Scintillatori per tempo di volo Camera bersaglio Fascio Spire magnetiche Camere a fili Scintillatori per tempo di volo Contatori Cerenkov Amentare le probabilità Negli ltimi anni i fisici hanno svilppato nove tecniche per rendere i loro strmenti più sensibili alla densità di carica elettrica e ai fattori di forma. La prima difficoltà sperimentale è che non disponiamo di n semplice bersaglio di netroni. I ricercatori hanno creato fasci di netroni da sare come bersaglio, ma i fasci non contengono molti netroni, qindi la probabilità di colpirli è molto bassa. I bersagli abitali sono il deterio o l elio-3. Qi diamo na descrizione del deterio, perché è più semplice e allo stesso tempo riflette ttta la fisica interessante. Qando n elettrone colpisce il deterio, rimbalza sl protone o sl netrone. Se sapessimo qale dei de ha colpito, non dovremmo sottrarre le sezioni d rto e introdrre elementi di incertezza, come dovette fare Hofstadter. Per farlo dobbiamo rilevare non solo l elettrone proveniente dal fascio, ma anche il ncleone emesso drante la collisione. Un altra tecnica nasce dalla rivisitazione della separazione dei fattori di forma. Ancora na volta qesta separazione si realizza con misre a diversi angoli e diverse energie, e poi con il confronto delle sezioni d rto e l estrapolazione dei fattori di forma. Il confronto di diverse sezioni d rto non è proprio come il confronto tra mele e pere, ma più simile al confronto tra na mela delizia con na mela annrca. Tttavia i rivelatori hanno diverse sensibilità a diverse energie e angoli, qindi i ricercatori devono fare qeste misrazioni e qesti calcoli con grande precisione, perché la differenza tra le sezioni d rto è molto piccola. La nova tecnica si basa sl fatto che lo spin dell elettrone e del netrone compaiono esplicitamente nelle sezioni d rto. In effetti, se lo spin dell elettrone e del netrone sono paralleli, allora entrambi i fattori di forma magnetici contribiscono alla sezione d rto. Ma se gli spin sono antiparalleli, o perpendicolari, allora qesto non accade. Qindi stiamo ancora facendo de misrazioni diverse, ma in qesto caso stiamo confrontando mele delizia con mele delizia; solo che n cesto di mele è dalla parte soleggiata dell albero, e l altro cesto all ombra. Ora misriamo le sezioni d rto per diverse orientazioni dello spin. Se combiniamo le misre in n modo, possiamo estrarre il fattore di forma elettrico, e con na diversa combinazione risciamo a rilevare il fattore di forma magnetico. La tecnica sembra semplice, ma giocare con l orientazione dello spin del fascio e del bersaglio è molto difficile. Prove nella nebbia. Scattata nel 1932 in na camera a nebbia, qesta è na delle prime foto che provano l esistenza del netrone. Si pò notare la traiettoria di n protone colpito da n netrone, che però non lascia traccia perché privo di carica elettrica. nazione dei i risltati si ottiene l immagine migliore e più vera del netrone. Ogni laboratorio e ogni esperimento porta n contribto nico alla casa. Alcni laboratori hanno fasci altamente polarizzati, alcni hanno bersagli densi, altri hanno rivelatori che riescono a esplorare n ampio intervallo di energie e di angoli, alcni hanno na sensibilità più ristretta, ma na migliore precisione. Qi descriveremo solo BLAST, l esperimento a ci ho lavorato negli ltimi vent anni. BLAST (si veda l immagine a fronte) è l acronimo di Bates Large Acceptance Spectrometer Toroid (lo strmento cioè è no spettrometro toroidale a grande accettanza), si trova al Bates Linear Accelerator Center, che è parte del Massachsetts Institte of Technology, e si trova circa 3 chilometri a nord di Boston. Il grppo che ha costrito e ora gestisce qesto rivelatore conta oltre 5 tra scienziati, stenti e ingegneri da più di na decina di istitti niversitari. Il centro ha de pnti di forza. Prima di ttto il so acceleratore prodce n fascio che è polarizzato al 66 per cento (cioè l 83 per cento degli elettroni nel fascio ha lo spin nella stessa direzione), che è na percentale molto alta per qesto tipo di acceleratore. Inoltre l acceleratore è collegato a n anello di accmlazione: il fascio di elettroni viene caricato nell anello di 18 metri di circonferenza, dove inizia a girare fino a qando non colpisce n detone nel bersaglio. La possibilità di far passare il fascio attraverso il bersaglio molte volte è particolarmente importante qando il bersaglio è così rarefatto. I. Crie e F. Joliot/SPL/Contrasto Cortesia BLAST/ MIT Bates Linear Accelerator Center Il rivelatore del MIT. BLAST è fatto di strati di sensori, disposti in seqenza dal centro, dove si trova il bersaglio, verso l esterno. Le spire magnetiche determinano la qantità di moto delle particelle. Gli strati di camere a fili rilevano posizione e movimento delle particelle. I contatori Cerenkov distingono i pioni dagli elettroni. Strati di materiale plastico che emette lce qando è colpito da radiazioni ionizzanti, chiamati scintillatori, determinano l istante in ci la particella attraversa il rivelatore. Gli scintillatori a volte fermano le particelle e ne registrano l energia. Il bersaglio è n fascio di gas di deterio polarizzato. Il deterio attraversa na serie di magneti e di cavità a radiofreqenza per allineare gli spin di ttti gli atomi. È n processo molto delicato, che fornisce n bersaglio di circa 7. miliardi di atomi per centimetro cbo. Qesta densità è meno di n millesimo della normale pressione atmosferica, n valore che da molti pnti di vista si considera na bona approssimazione del voto. Un singolo elettrone pò attraversare il bersaglio de milioni di volte al secondo e pò continare a farlo per 2 minti, prima di colpire n detone. In qell intervallo di tempo, l elettrone percorre nell anello di accmlazione na distanza gale al diametro dell orbita della Terra. Solo poche migliaia di elettroni colpiranno il bersaglio ogni secondo, e visto che vogliamo rilevare particelle che vengono emesse, così come na vasta gamma di energie e angoli diversi, allora abbiamo collocato il rivelatore attorno al bersaglio, da ci la «grande accettanza» di BLAST. «Spettrometro» significa che misriamo l energia o la qantità di moto facendo passare le particelle in scita attraverso n forte campo magnetico. Le traiettorie corrispondenti a particelle con piccola qantità di moto vengono crvate dal campo, mentre le particelle con grande qantità di moto sfrecciano praticamente dritte. BLAST qindi è n rivelatore avvolto attorno a n bersaglio complesso polarizzato, che rinchie parte di n fascio altamente polarizzato. Il fascio ha n energia pari a 85 milioni di elettronvolt, e na corrente fino a 2 microampere. Per n acceleratore, Vetri piombati Rivelatori per netroni Esperimento BLAST All inizio degli anni novanta, grazie alla disponibilità di nove tecniche e tecnologie, sono stati proposti diversi esperimenti per misrare il fattore di forma elettrico del netrone. Esperimenti di qesto tipo sono stati condotti in ttto il mondo e dalla combil energia non è altissima, ma l intensità è impressionante: è maggiore di qella del Fermi National Accelerator Laboratory, negli Stati Uniti, ed è simile a qella di LHC al CERN. Il rivelatore è costrito a strati, come na cipolla, con il bersaglio al centro. Qando n elettrone colpisce n detone, l elettrone rimbalza ed è sparato via, insieme a n protone o n netrone, e a volte n pione. Qeste particelle prima attraversano na camera piena di centinaia di fili che rilevano la posizione di particelle nelle loro vicinanze. Ci sono molti strati nella camera a fili, che è immersa in n campo magnetico, qindi si possono sare le risposte di molti sensori per cercare di calcolare traiettoria e qantità di moto della particella. Alla fine la particella attraversa diversi strati di plastica scintillante (che emette lce in risposta alla radiazione ionizzante della particella) che ci dice in qale momento è arrivata la particella, con n margine di 3 picosecondi. Circa il 1 per cento delle volte gli scintillatori fermano i netroni e ci dicono qanta energia avevano. Il mio contribto è stato prima simlare i risltati dei diversi progetti per il dispositivo e poi scrivere il programma che raccoglie decine di misre per ogni particella (come i tempi dei segnali provenienti dalla camera a fili o l intensità dei lampi di lce negli scintillatori), e tradce qeste informazioni in qantità di moto, direzione e tipo di particella. Era n problema difficile da risolvere, e bisognava risolverlo centinaia di volte al secondo. Dopo na decina d anni di lavoro slla progettazione del dispo- 78 Le Scienze 522 febbraio Le Scienze 79

5 Fattore di forma elettrico del netrone Fattore di forma elettrico del netrone,1,1,8,8,6,6,4,4,2,2,2,15,1,5,5 Migliore approssimazione Banda di di incertezza Densità dei qark 1,4 1,4 1,2 1,2 1, 1, Densità dei qark,8,8,6,6,4,4,2,2,4,4 Distribzione Distribzione qark-p qark-p Distribzione Distribzione qark-down qark-down,2,2,1,1,1,1,2,2,3,3,5,5 1, 1,5 Qantità di di moto,5 1, 1, 1,5 1,5 2, 2, 2,5 2,5 (in (in fermi),5,51, 1,1,5 1,52, 2,2,5 2,5 3, 3, 3,5 3,5 4, 4, (in fermi) (in fermi),5,5 1, 1,1,5 1,52, 2,2,5 2,5 (in fermi) (in fermi) Profilo di carica nlla. I dati combinati di diversi esperimenti hanno prodotto n profilo del fattore di forma elettrico (a sinistra), cioè della probabilità che n fascio di elettroni accelerati sia diffso da n bersaglio di netroni a casa della carica elettrica. Se l elettrone ha qantità di moto piccola, l assenza di carica del netrone annlla la diffsione elettrica. Ad alte velocità, invece, gli elettroni attraversano indistrbati i netroni. Ma nella regione di mezzo, l interazione indica che la sperficie del netrone ha carica leggermente negativa. Convertendo i dati per il fattore di forma elettrico in misre di posizione (a destra), si vede che il centro del netrone è positivo e l esterno è negativo. Dentro il netrone. I dati mostrano che il qark p è vicino al centro, mentre i qark down sono più verso l esterno (a sinistra). Qesto profilo però non è di n netrone a riposo, qando cioè non è sondato da n fascio di elettroni. Una diversa procedra, pensata per affrontare qesto problema, trasforma il netrone in na strttra che viaggia qasi alla velocità della lce. Tttavia, qesta procedra cambia il «centro» del netrone nell area di maggiore qantità di moto, invece che l area di maggiore massa, il che fa sembrare che il netrone abbia centro negativo e non positivo (a destra). La risposta è corretta, ma è la risposta a n altra domanda rispetto a qella che i fisici intendevano fare. sitivo, il progetto è stato finanziato dal Department of Energy degli Stati Uniti e nel 1999 è iniziata la costrzione. Dal 23 al 25 l esperimento ha registrato dati qasi di contino. I risltati dell esperimento BLAST sono tra le misrazioni migliori del mondo, ma solo in n limitato intervallo di qantità di moto. Dnqe, qando gardiamo dentro al netrone siamo anche dati da altri laboratori, in particolare dalla Johannes Gtenberg- Universität di Magonza, in Germania, e dal Thomas Jefferson National Accelerator Facility, negli Stati Uniti. Mettendo ttto insieme Che cosa ci dice qesta nova generazione di esperimenti? Prima di ttto il fattore di forma elettrico del netrone non è zero. È legato alla probabilità che n netrone riesca ad assorbire na certa qantità di moto dall elettrone che lo colpisce e a rimanere solo n netrone. Qando si fa il grafico del fattore di forma elettrico in fnzione della qantità di moto dell elettrone, si ottiene na crva con alcne caratteristiche note (si veda l illstrazione a sinistra in qesta pagina). La parte sinistra, con qantità di moto piccola, è in relazione a na scala di grandi distanze; in qesta zona l elettrone vede il netrone a bassa risolzione e interagisce con l intero netrone. Dato che il netrone è netro, la diffsione elettrica scompare. All altro estremo, l elettrone sonda con grande qantità di moto, qindi in n tempo molto breve; se la qantità di moto è abbastanza grande, l elettrone attraversa il netrone indistrbato. È la forma della gobba in mezzo al grafico a essere interessante. Per esempio, la pendenza della salita della crva è legata alla «media qadratica» (cioè la radice qadrata della media dei qadrati, no strmento sato normalmente in statistica per misrare la grandezza di na variabile) del raggio di carica del netrone, che è,11 fermi. Un nmero negativo sembra strano per n raggio, ma significa che l esterno del netrone è negativo. L interpretazione fisica solita del fattore di forma è che rappresenta la «trasformata di Forier» della distribzione di carica. La trasformata di Forier è n metodo per convertire misrazioni della qantità di moto (o «implso») in misrazioni della posizione. In qesto caso possiamo prendere la crva del fattore di forma elet- o n mesone omega, o forse no dei mesoni più rari ed esotici, come il mesone phi. Infatti, bisognerebbe parlare della nvola di mesoni, più che della nvola di pioni. E che sccede all interno della nvola, a dimensioni di meno di n fermi, che solitamente si considera la frontiera del ncleone? Sembra che il qark p sia vicino al centro, con n raggio di circa,35 fermi, e il qark down sia più lontano, a,5 fermi. Alcni fisici considerano qesta descrizione la migliore immagine del netrone, contenente la nvola di mesoni, lo strato esterno fatto di qark down, il qark p al centro: ttto derivato dalla trasformata di Forier del fattore di forma elettrico. Ma qesta immagine, per qanto istrttiva e attraente, ha dei problemi. Qello che vogliamo sapere è come appare il netrone a riposo, ma la nostra trasformazione è na via di mezzo tra il netrone originale a riposo e il netrone finale dopo che è stato colpito. È come qando si fa na foto e poi ci si accorge che ttti hanno gli occhi rossi, oppre si sono mossi, sorpresi dal flash. Vorremmo che la nostra immagine rappresentasse il netrone al natrale, ma in realtà rappresenta n netrone attivamente distrbato dall osservazione. Negli ltimi anni si è svilppata n altra procedra, con ci si trasforma il netrone nel cosietto sistema di riferimento «a implso infinito»: qindi si garda il netrone mentre viaggia qasi alla velocità della lce. Qesta procedra è coerente con la relatività e corretta dal pnto di vista matematico, ma in realtà non ci dà na rappresentazione del netrone a riposo. Sia il fattore di forma elettrico sia qello magnetico sono coinvolti in qesta procedra, perché a qeste velocità si mescolano. Dato che il fattore di forma magnetico è negativo, la distribzione di carica rislta diversa. Qello che colpisce e fa pensare è il centro negativo. Qesto risltato per il centro del netrone probabilmente è la ragione per ci molti fisici sono rilttanti ad accettare qesta procedra. Nella prima analisi, il centro del netrone è il centro di massa dei tre qark. Ttti orbitano attorno a n pnto sitato da qalche parte in mezzo al triangolo formato dai tre qark. Nel sistema a implso infinito il netrone si move relativisticamente alla velocità della lce, qindi si appiattisce come na frittella nella direzione del moto. In qesta sitazione, la massa diventa assai meno importante della qantità di moto, qindi la qantità di moto svoltrico e trasformarla nella distribzione di carica, la qale ci dice che il centro del netrone è positivo e la sperficie è negativa (si veda l illstrazione a destra in qesta pagina). Le bande indicano il livello di incertezza. Qindici anni fa qelle bande erano molto più ampie, i dati qindi si adattavano con facilità a diversi modelli, come il modello a nvola di pioni, o il modello a replsione spinspin dei qark. Ma ora sembra che entrambi siano corretti. Peiconciliare qesto risltato dobbiamo tornare alla nostra immagine del netrone e del pione basata si qark. Il netrone è composto da tre qark di valenza, insieme a gloni e coppie qark-antiqark del mare di qark. Finora abbiamo parlato solo dei qark di valenza, ora dobbiamo considerare anche le altre componenti. Il modo solito di descriverle è con n grafico che mostra come i qark nel ncleone cambiano nel tempo. Il grafico parte a sinistra con il netrone formato da tre qark (de down e no p). Dopo qalche tempo n glone viene emesso da n qark down e assorbito dal qark p. In segito viene emesso n altro glone, che si divide in na coppia qark-antiqark, che a loro volta si ricombinano in n altro glone che viene poi assorbito da no dei qark di valenza. Qark e antiqark che esistono per brevi istanti si chiamano «qark del mare». Ma i qark del mare sono reali come i qark di valenza originali: in verità l antiqark si pò anche combinare con n qark di valenza, e ttto rimane in eqilibrio. Oppre la coppia qark-antiqark pò aver formato n altra particella, come n pione, magari per n istante. Il pione pò allora venire riassorbito nella nvola di pioni del netrone, oppre si pò scambiare con n ncleone vicino, e venire assorbito come mediatore della forza ncleare. Qindi la nvola di pioni pò anche dirci qalcosa sll attività dei gloni e del mare di qark. Nel grafico della distribzione di carica del netrone (si veda l illstrazione a destra in qesta pagina), la lnga coda ci dice che c è n po di carica fori dalla sperficie classica del netrone, in n areola, o na nvola. La lnga coda ci dice anche qalcos altro. Il modo più semplice di mettere insieme n qark e n antiqark è prodrre n pione, ma non è l nico. Se la coppia qark-antiqark ha gli spin allineati, allora forma na particella di massa consistente, n mesone rho Grafici di Danilo Sossi s indicazione dell atore (in qesta pagina e nella pagina a fronte) ge il rolo della massa nel determinare il «baricentro». Dnqe l elemento che definisce il centro del netrone, in realtà, è l oggetto con la maggiore qantità di moto, cioè i qark down. Dato che il qark down è negativo il centro, nel sistema a implso infinito è negativo; la rappresentazione in qesto sistema di riferimento è coerente e corretta, solo che risponde a na domanda leggermente diversa da qella che credevamo di porre. Il «centro» non è il centro del netrone a riposo, che è qello che cercavamo di figrarci all inizio. Visioni per il ftro Che aspetto ha n netrone? Non è solo n sassolino che sta lì a far niente. Non è solo zavorra del ncleo. È dinamico: emette e assorbe mesoni di ogni tipo, in continazione. Più da vicino, la sperficie è dominata dai qark down negativi. L interno ha na regione in ci si trova il qark p positivo. E al centro? È na regione soggetta a forti effetti relativistici. Sembra dominata dal qark down, ma dobbiamo riflettere s che cosa intendiamo con «il centro». Come mi ha detto na volta n fisico teorico che lavora con il sistema a implso infinito: «Qesta non è la distribzione di carica delle nostre nonne». In qale direzione ci moveremo? Stiamo ancora imparando come il netrone plsa e rota. Dato che crea e assorbe mesoni in continazione, è na particella che ricrea continamente se stessa. Con dati sempre più freschi a disposizione, riconsidereremo il nostro modello di qeste particelle, fino a qando arriveremo forse ad adottare l immagine del netrone proposta da Fermi e altri fisici delle particelle negli anni qaranta. n per approfondire Nclear Constittions of Atoms. Rtherford E., «Proceedings of the Royal Society A», Vol. 97, pp , content/97/686/374.citation. Il mistero dello spin dei ncleoni. Rith K., Schäfer A., in «Le Scienze» n. 373, settembre Hien Worlds: Hning for Qarks in Ordinary Matter, Smith T.P., Princeton University Press, Princeton 22. Una forza della natra. Reeves R., Codice Edizioni, Torino, Le Scienze 522 febbraio Le Scienze 81