Quanto pesa un neutrone?

I neutroni sono una delle due particelle che compongono il nucleo degli atomi, ed è la loro relazione con i protoni, dovuta ad una infinitesimale differenza tra le rispettive masse, che determina le proprietà della materia così come le conosciamo. A quasi 80 anni dalla prima scoperta dell’esistenza dei neutroni, un team di ricercatori francesi, tedeschi e ungheresi è riuscito oggi a calcolare la differenza di massa tra queste due particelle con una precisione mai raggiunta prima. Lo studio, pubblicato su Science, è stato realizzato grazie ai supercomputer di uno dei maggiori centri di calcolo europei, il tedesco Jülich Supercomputing Centre, e rappresenta un traguardo fondamentale che secondo molti esperti conferma ulteriormente la teoria delle interazioni forti (ovvero la forza che tiene insieme il nucleo degli atomi).

Secondo le teorie attuali, la stabilità degli atomi è dovuta al fatto che i neutroni possiedono una massa infinitesimamente maggiore di quella dei protoni. Parliamo di una differenza molto piccola, calcolata nell’ordine dello 0,14%, ma fondamentale per la nascita dell’Universo così come lo conosciamo: una percentuale di poco inferiore e il Big Bang avrebbe prodotto troppo elio, e le Stelle non si sarebbero mai accese; con un differenza di poco maggiore invece non sarebbero mai formati gli elementi più pesanti.

Le misurazioni effettuate negli ultimi decenni hanno dimostrato che la maggior parte della massa di protoni e neutroni deriva dall’energia contenuta nei tre quark che compongono le due particelle, come previsto dalla cosiddetta cromodinamica quantistica, la teoria fisica che descrive l’interazione forte. Il campo elettromagnetico che circonda il protone (carico positivamente) contribuisce però, se pur in misura minima, alla sua massa, che a parità di condizioni dovrebbe quindi risultare maggiore di quella del neutrone (privo di carica come ricorda il suo nome).

Una delle spiegazioni proposte è che i quark che compongono i neutroni abbiano una massa leggermente superiore a quelli dei protoni: un neutrone infatti è composto da due quark down (più pesanti) e un quark up (più leggero), mentre il protone è costituito da due quark up e un quark down. Si tratta però di differenze di massa infinitesimali, che fino ad oggi nessuno era riuscito a misurare con una precisione sufficiente.

Per migliorare questi calcoli, gli autori del nuovo studio hanno sviluppato una nuova classe di tecniche di simulazione che combinano le leggi della cromodinamica quantistica con quelle dell’elettrodinamica quantistica (teoria quantistica del campo magnetico) per prendere in considerazione anche l’influenza delle interazioni elettromagnetiche.

La nuova strategia ha permesso loro di affinare il calcolo della differenza tra le due masse di circa 300 chiloelettronvolt (ricordate che la massa delle particelle si misura in energia), di fatto portando un’ulteriore conferma ai risultati predetti dalla cromodinamica quantistica.

Secondo i ricercatori, le tecniche sviluppate nello studio potrebbero inoltre aprire le porte ad una nuova generazione di simulazioni che aiuteranno ad indagare le proprietà di particelle come quark e gluoni. “In futuro saremo in grado di testare il modello standard della fisica delle particelle con una precisione 10 volte superiore a quella attuale”, spiega Kálmán Szabó, del Jülich Supercomputing Centre. “In questo modo potremmo riuscire a identificare effetti che ci potrebbero aiutare a scoprire nuove particelle, non previste dal modello standard”.