Gli elettroni sono estremamente rotondi, lo conferma una nuova misurazione

Per verificare se gli elettroni sono veramente rotondi, i fisici hanno utilizzato molecole di fluoruro di afnio caricate elettricamente contenute all’interno di una camera a vuoto (mostrata).

Casey A. Cass/Università del Colorado

Di Emily Conover

6 luglio 2023 alle 14:00

Gli elettroni sono davvero, davvero rotondi.

Una nuova misurazione conferma la forma sferica della particella subatomica ad un livello record di precisione, riferiscono i fisici su Science del 7 luglio.

Quella rotondità quasi perfetta approfondisce il mistero dietro il modo in cui l’universo è arrivato a essere pieno di materia rispetto alla sua controparte, l’antimateria. Qualsiasi asimmetria nella forma dell’elettrone, vale a dire nella distribuzione della carica elettrica della particella, indicherebbe un’asimmetria correlata nelle leggi della natura, che potrebbe spiegare questa caratteristica del cosmo.

La misurazione – di una proprietà conosciuta in termini fisici come momento di dipolo elettrico dell'elettrone – è due volte più precisa della precedente migliore misurazione della forma dell'elettrone (SN: 10/17/18).

"Non credo che il Guinness tenga traccia di questo, ma se lo facessero, avremmo un nuovo record mondiale", afferma la fisica Tanya Roussy dell'Università del Colorado Boulder. La nuova misurazione è così precisa che, se un elettrone avesse le dimensioni della Terra, qualsiasi asimmetria nella sua forma dovrebbe essere su una scala più piccola di un atomo.

Per valutare la forma della particella, Roussy e colleghi hanno esaminato se gli elettroni ruotassero in un campo elettrico. Se gli elettroni non fossero rotondi ma leggermente a forma di uovo, un campo elettrico eserciterebbe su di essi una coppia, proprio come la gravità fa cadere un uovo ritto sulla sua estremità.

Per osservare tale coppia, il team ha cercato i cambiamenti nei livelli energetici delle molecole elettricamente cariche di fluoruro di afnio. Qualsiasi coppia sugli elettroni darebbe alle molecole diversi livelli di energia a seconda della direzione in cui l’“uovo” era orientato rispetto a un campo elettrico. I ricercatori non hanno trovato differenze nei livelli energetici delle molecole, confermando la rotondità dell'elettrone.

Al loro livello più elementare, gli elettroni sono particelle puntiformi, senza una dimensione e una forma definite. Ma nella teoria quantistica dei campi, gli elettroni possono essere pensati come circondati da particelle “virtuali” temporanee che entrano ed escono dall’esistenza, conferendo a ciascun elettrone un alone sferico di carica elettrica. Se si scoprisse che l’alone è leggermente a forma di uovo, ciò potrebbe indicare come l’universo sia diventato sbilenco rispetto alla materia.

Il Big Bang avrebbe dovuto creare materia e antimateria in parti uguali: le due sono immagini speculari l’una dell’altra, con cariche elettriche opposte. Ma la materia nel nostro universo è comune mentre l’antimateria è scarsa. I fisici teorici hanno suggerito che l’esistenza di alcune particelle subatomiche avrebbe potuto far pendere la bilancia a favore della materia (SN: 22/9/22). Se quelle particelle esistessero, apparirebbero e scomparirebbero anche transitoriamente attorno all’elettrone, in modo tale da renderlo oblungo.

Tali particelle sarebbero così massicce, e richiederebbero quindi così tanta energia per essere prodotte, che non sarebbero rilevabili nemmeno nel più grande acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider vicino a Ginevra. Ciò rende gli studi sensibili sulla rotondità dell'elettrone un test importante per i fisici delle particelle. E tali esperimenti sono pronti a migliorare ulteriormente, testando particelle di masse ancora più grandi, afferma il fisico David DeMille dell'Università di Chicago, uno degli scienziati dietro la precedente migliore misurazione della rotondità dell'elettrone.

Per ora, il nuovo risultato non mostra traccia di particelle nascoste, lasciando irrisolto il mistero di come la materia abbia preso il sopravvento. E questo, dice DeMille, “ci lascia con la domanda su cosa c’è là fuori”.

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TS Roussy et al. Un migliore legame con il momento di dipolo elettrico dell'elettrone. Scienza. vol. 381, 7 luglio 2023, pag. 46.doi: 10.1126/science.adg4084.

La scrittrice di fisica Emily Conover ha un dottorato di ricerca. in fisica presso l'Università di Chicago. Ha vinto due volte il premio Newsbrief della DC Science Writers' Association.