Nel 1900, poco dopo la scoperta dell’elettrone e della radioattività, Lord Kelvin disse notoriamente:
Non c’è nulla di nuovo da scoprire in fisica. Tutto ciò che rimane è una misurazione sempre più precisa
Si sarebbe dimostrato che aveva terribilmente torto. La scoperta del nucleo e poi dei suoi costituenti, il protone e il neutrone, ha rivoluzionato la nostra visione di come era fatto il mondo. La nostra comprensione del mondo passò dal classico al quantistico e fino al 1933 la meccanica quantistica andò di successo in successo nel descrivere le osservazioni sperimentali. Questo culminò nell’equazione di Dirac, che prevedeva l’esistenza dell’antimateria, confermata poco dopo dalla scoperta dell’anti-elettrone (il positrone). Tuttavia, il compiacimento dei fisici fu di breve durata. Dietro le quinte, non tutto andava bene. La Meccanica Quantistica stava lottando per fornire una spiegazione alle particelle che piovevano sulla terra dal cosmo ad un ritmo di 10.000 al minuto per m2. Un vero e proprio “who’s-who” di luminari della fisica stava cercando di capire la natura di queste particelle “raggi cosmici”. Poiché a quel tempo le uniche particelle conosciute erano elettroni, protoni, neutroni, fotoni e (ancora da rilevare direttamente) neutrini. Si presumeva che queste particelle di raggi cosmici che arrivavano sulla terra fossero elettroni.
Il problema con questo presupposto (sbagliato) era che gli “elettroni” che piovevano sulla terra sembravano essere di due varietà -1. quelli che erano facilmente assorbiti da blocchi di piombo e che creavano una pioggia secondaria di elettroni, positroni e fotoni quando interagivano con il piombo e 2. quelli che penetravano nei blocchi di piombo con una forza di gravità maggiore. Quelli che penetravano i blocchi di piombo con aplomb.
All’inizio, la meccanica quantistica non aveva alcuna spiegazione del perché gli elettroni dovessero comportarsi in uno di questi modi, ma gradualmente la teoria fu modificata (in particolare da Bethe, Carlson, Heitler e Oppenheimer). Hanno trovato un modo per descrivere il tipo 1 (l'”elettrone” che si bagna di piombo) ma, ahimè, non hanno avuto la stessa fortuna nel trovare una spiegazione per le particelle penetranti di tipo 2. I fisici teorici (avendo goduto di tanto successo fino ad allora) erano disperati. Oppenheimer, sempre pronto ad aggiungere un po’ di gravitas alla situazione e che generalmente preferiva il bicchiere mezzo vuoto, scrisse a suo fratello nel 1934:
Oppenheimer: La Meccanica Quantistica alimentata dalla nicotina
Come sicuramente sapete, la fisica teorica – con i fantasmi ossessionanti dei neutrini, la convinzione di Copenhagen, contro ogni evidenza, che i raggi cosmici sono protoni, la teoria dei campi assolutamente non quantizzabile di Born, le difficoltà di divergenza con il positrone e l’assoluta impossibilità di fare un calcolo rigoroso – è in un modo infernale
Presto, l’idea che le particelle penetranti fossero protoni fu scartata e la comunità fisica fu messa di fronte a una scelta cruda: una nuova particella o l’accettazione che la meccanica quantistica era irrimediabilmente difettosa. Per un po’ di tempo (ora convenientemente trascurato) hanno confuso la questione e hanno iniziato a parlare a bassa voce della possibilità di “elettroni rossi e verdi” – un tipo assorbito e l’altro penetrante.
Grazie al cielo, lo sviluppo ispirato di nuove tecniche sperimentali da parte di team in Europa e negli Stati Uniti ha fatto sì che le osservazioni sperimentali delle particelle penetranti diventassero più precise. Queste innovazioni sperimentali (combinate con nuove scoperte nella teoria) permisero un’interpretazione che portò alla verità ineluttabile: le particelle penetranti erano qualcosa come un elettrone, ma significativamente più pesanti.
Alla particella fu originariamente dato il nome di “mesotrone”. Come spesso accade nella scienza, non ci fu un “momento Eureka” di scoperta, ma un graduale albeggiare di un nuovo paradigma attraverso il lavoro di molte persone, sia teoriche che sperimentali. Anderson ha avuto il merito (avendo già vinto un premio Nobel per l’osservazione del positrone, era probabilmente più facile da vendere…) ma c’era una considerevole dramatis personae – Bethe, Heitler, Rossi, Neddermeyer, Street, Stevenson, Carlson e Oppenheimer – senza i cui contributi il “mesotrone” non sarebbe stato scoperto. Il “mesotrone” fu rapidamente ribattezzato muone, e divenne chiaro che il muone non era un elettrone rosso o verde, poiché se fosse stato solo un elettrone pesante o più energetico sarebbe dovuto decadere in un elettrone e un fotone, e questo non fu osservato. Il muone sembrava essere una particella distinta e così il muone (dopo l’elettrone) fu la seconda particella fondamentale (cioè quella che non sembra essere fatta di altre particelle) ad essere scoperta. La sua scoperta annunciò così l’inizio della fisica delle particelle come materia.
Muoni – non ho sentito nulla.
Ci sono diverse centinaia di muoni che ti passano per la testa ogni secondo minuto. Fortunatamente, le loro basse energie (e l’alta massa) li rendono innocui. Questi muoni provengono dalle collisioni dei raggi cosmici (principalmente protoni vomitati dalle stelle) con gli atomi della nostra atmosfera superiore. Dopo la loro scoperta fu osservato che il numero di questi muoni diminuiva man mano che ci si avvicinava alla terra e la conclusione naturale (e corretta) fu che non erano particelle stabili come l’elettrone ma un po’ volanti (e diurne), e che decadevano in altre particelle più familiari (elettroni e neutrini) in circa 2 milionesimi di secondo. A questo punto si sapeva quale fosse la massa dell’elettrone e si supponeva che i neutrini fossero privi di massa, quindi guardando la traiettoria e l’energia dell’elettrone dal decadimento del muone (o misurando il tempo impiegato dal muone per decadere) divenne chiaro che il muone era un po’ un maiale. Pesava circa 200 volte la massa dell’elettrone.
Il muone non è un grande impresario e ha un repertorio piuttosto limitato, adatto forse per una fugace apparizione a X-factor. Negli ultimi 75 anni lo abbiamo osservato fare solo due cose: interagire e produrre un neutrino o decadere e produrre un elettrone e due neutrini. Ma noi crediamo che il muone avrà l’ultima risata ed è più di un pony a due trucchi. Il muone ha un asso nella manica che ci aiuterà a capire la fisica su scale di energia ben oltre l’LHC. Pertinentemente, crediamo che rivelerà un nuovo tipo di interazione fondamentale (oltre a quelle che conosciamo (le interazioni elettromagnetiche, gravitazionali e nucleari deboli e forti) che può aiutare a spiegare uno dei problemi più antichi della fisica: come ha fatto la maggior parte dell’antimateria creata nel Big Bang ad accumulare (o presumibilmente disonorata in questi giorni) all’inizio dell’Universo, nel tempo necessario per fare una tazza di tè?
Abbiamo in programma di produrre un fascio di muoni di intensità senza precedenti per osservare questo nuovo tipo di interazione (che descriverò in futuro). In effetti, dopo un periodo un po’ fiacco, questo è un momento eccitante per essere un muone e le loro proprietà penetranti e magnetiche vengono sfruttate per una serie di applicazioni oltre la fisica delle particelle. Sono stati usati negli anni ’60 per radiografare le piramidi alla ricerca di camere nascoste e i recenti progressi nei rivelatori di particelle cariche hanno aperto la possibilità di utilizzare i muoni a raggi cosmici per immagini precise di volumi molto grandi (container marini, veicoli da carico, stazioni ferroviarie, ecc.) per rilevare bombe, materiale fissile o cose che fanno bang nella notte. I muoni sono usati per studiare le proprietà di nuovi materiali composti che hanno il potenziale di fornire nuovi semiconduttori per l’industria elettronica o superconduttori a temperatura ambiente con una diversità di applicazioni dai treni levitati (potrebbe essere difficile sulla Northern Line) alla trasmissione di energia senza perdite. Recentemente un fascio di muoni prodotto presso l’impianto britannico ISIS è stato utilizzato per osservare i fenomeni di “magnetricità” in “spin-ice” che è potenzialmente il primo passo verso una versione magnetica dell’elettronica.
Quindi rimanete sintonizzati, il muone è un burattino ma i suoi 15 minuti di fama sono vicini.
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