L'annoso rompicapo della diffusione degli elettroni si infittisce con una nuova misurazione
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Perché il piombo si comporta in modo così diverso da ogni altro nucleo atomico quando viene colpito dagli elettroni? Un team di fisici dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) ha compiuto un passo importante verso la risposta a questa domanda, per poi scoprire che il mistero è ancora più profondo di quanto si pensasse.
Un nuovo risultato ottenuto con gli spettrometri A1 dell'acceleratore MAMI rivela un comportamento inaspettato dei nuclei pesanti e apre la strada a test di precisione nella futura struttura MESA.
Perché il piombo si comporta in modo così diverso da ogni altro nucleo atomico quando viene colpito dagli elettroni? Un team di fisici dell'Università Johannes Gutenberg di Mainz (JGU) ha compiuto un passo importante verso la risposta a questa domanda, scoprendo che il mistero è ancora più profondo di quanto si pensasse. I risultati sono stati pubblicati sulla prestigiosa rivista scientifica Physical Review Letters.
Gli elettroni di solito si disperdono dai nuclei atomici in modi che possono essere previsti con notevole precisione. Una caratteristica ben collaudata è che l'inversione dello spin degli elettroni in arrivo dovrebbe cambiare leggermente il modello di diffusione, un effetto guidato dallo scambio di due "fotoni virtuali" tra l'elettrone e il nucleo. Per la maggior parte dei nuclei, la teoria prevede esattamente l'entità di questo piccolo effetto e decenni di esperimenti hanno confermato queste previsioni. Il piombo, tuttavia, si è sempre distinto. Le precedenti misurazioni effettuate presso la Thomas Jefferson National Accelerator Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti hanno mostrato che, per il piombo, questo effetto dipendente dallo spin sembra scomparire del tutto, un risultato che nessuna teoria esistente è in grado di spiegare.
L'esperimento al Microtron di Mainz
In un nuovo esperimento condotto con gli spettrometri A1 ad alta risoluzione del Microtron di Magonza (MAMI), il team della JGU ha misurato lo stesso processo con un'energia del fascio e un angolo di diffusione diversi. Questa volta, l'effetto era chiaramente presente e sorprendentemente grande. Invece di risolvere l'anomalia precedente, la nuova misurazione la intensifica: il comportamento del nucleo di piombo cambia drasticamente con l'energia in un modo che la teoria attuale non riesce a cogliere.
"Questo risultato conferma che l'enigma è reale", afferma la professoressa Concettina Sfienti, a capo del progetto. "Significa che c'è una fisica inesplorata nel modo in cui gli elettroni sondano i nuclei pesanti, e abbiamo bisogno di nuove idee teoriche per capirlo".
Il lavoro è stato svolto nell'ambito del Centro di ricerca collaborativo (CRC) 1660 "Hadrons and Nuclei as Discovery Tools", finanziato dalla Fondazione tedesca per la ricerca (DFG). La missione principale del CRC 1660 è quella di utilizzare esperimenti di precisione per scoprire effetti sottili nella struttura nucleare che potrebbero aprire nuove finestre sul Modello Standard della fisica delle particelle. Il comportamento inaspettato del piombo sta emergendo come uno dei casi più intriganti del CRC, un esempio eclatante di come le misure di alta precisione possano rivelare lacune anche nella teoria consolidata.
Implicazioni significative per i futuri esperimenti al MESA
I risultati hanno anche forti implicazioni per il futuro esperimento P2 presso il nuovo acceleratore MESA, attualmente in costruzione nel campus di Magonza come parte del Cluster di Eccellenza PRISMA++. Al MESA, i ricercatori misureranno effetti estremamente piccoli nella diffusione degli elettroni per testare il Modello Standard con una precisione senza precedenti. Comprendere il ruolo dello scambio di due fotoni nei nuclei pesanti - come il sorprendente comportamento ora osservato nel piombo - è essenziale per raggiungere la precisione necessaria a P2. "Con questo nuovo risultato del MAMI, abbiamo un'idea molto più chiara di ciò che deve essere compreso prima di passare al prossimo livello di precisione al MESA", spiega Sfienti. "Ciò che misuriamo oggi modella direttamente la tabella di marcia per la fisica di alta precisione di domani".
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