Un tocco di magnetismo

Quest’autunno all’Istituto Paul Scherrer comincerà la costruzione di un nuovo esperimento di fisica delle particelle per determinare il dipolo elettrico del neutrone. Rimpiazzerà il precedente esperimento, che al momento ci ha fornito la misura alla lunga piú precisa degli ultimi anni e la cui analisi dei dati è ancora in corso. Il nuovo esperimento, disegnato in collaborazione tra il dottorando di ETH Michal Rawlik, puó rivelare delle caratteristiche del magnetismo inimmaginabilmente piccole. Un risultato positivo dell’esperimento potrebbe aiutare a spiegare perché c’è tanta piú materia nell’universo rispetto all’antimateria.

Il dottorando di ETH Michal Rawlik con il suo piccolo prototipo di gabbia, che serve per neutralizzare il campo magnetico nel suo interno.
Immagine: B. Vogel

Tanti esperimenti che sono progettati all’Istituto Federale Svizzero di tecnologia (ETH) a Zurigo sono poi installati all’Istituto Paul Scherrer (PSI) a Villigen (AG) – lo stesso é successo all’esperimento nEDM. L’abbreviazione sta per: momento di dipolo elettrico del neutrone. Questione di pochi giorni e la colata di cemento sarà effettuata in un laboratorio a PSI, sul quale l’esperimento sarà poi costruito. Solo la costruzione ci si aspetta che durerà due o tre anni. E ci vorranno altri tre anni per avere i primi risultati. Alla fine, gli scienziati da 15 diversi istituti in sette paesi diversi sperano di chiarificare se il neutrone – cioè la particella elettricamente neutra del nucleo atomico – ha un dipolo elettrico. I neutroni non hanno carica elettrica poiché la carica del quark up è compensata dalla carica dei due quark down. E’ possibile, comunque, che all’interno del neutrone le cariche positive e negative siano distribuite in modo da formare un dipolo elettrico. L’esperimento nEDM potrebbe provare l’esistenza di questo dipolo elettrico.

I fisici hanno provato per piú di 60 anni di misurare in modo sempre piú preciso il dipolo elettrico del neutrone. I risultati ottenuti fino ad ora non hanno dato nessuna prova che questo dipolo esista. La misura piú precisa che é stata pubblicata sul dipolo elettrico é stata ottenuta all’inizio del millennio dalla collaborazione RAL / Sussex /ILL. “In questi ultimi anni, a PSI abbiamo fatto delle misure ancora piú accurate dei nostri colleghi con il loro precedente esperimento e ora siamo pronti a un nuovo passo,” dice il 27-enne Michal Rawlik. Rawlik viene da Gliwice in Polonia. Ha studiato fisica a Cracovia ed è venuto in Svizzera tramite una scuola estiva. Per tre anni sta lavorando sulla sua tesi di dottorato all’ETH di Zurigo, al Campus Hönggerberg. “Il nostro obbiettivo é di migliorare la misura di un altro fattore 10,” dice Rawlik.

Una eccedenza inspiegabile di materia

Perché i fisici delle particelle si danno tanto da fare per trovare un dipolo elettrico quasi non-misurabile in una particella elettricamente neutra ? Le ragioni giacciono in una considerazione teorica del fisico russo (piú tardi anche Premio Nobel) Andrej Sakarov (1921-1989): se il neutrone ha veramente un dipolo elettrico, la simmetria di CP sarebbe violata. Questa violazione sarebbe la chiave per spiegare il fatto che il nostro universo visibile è composto essenzialmente da materia e non anti-materia – anche se i fisici assumono che materia e anti-materia siano state create con uguale probabilità durante il Big Bang. Se l’esperimento nEDM provasse l’esistenza del dipolo elettrico, la fisica delle particelle farebbe un passo verso la risposta di una delle grandi, irrisolte domande della cosmologia contemporanea.

Questo è indubbiamente una prospettiva affascinante. Ma è una strada lunga da fare. Per avere la prova di un dipolo elettrico i ricercatori devono determinare il campo magnetico molto precisamente nel punto della misura. L’idea di base dell’esperimento nEDM è di vedere se l’energia di un neutrone è influenzata da un campo elettrico applicato esternamente. Se questo succede, il neutrone ha un dipolo elettrico ( e si allinea con un campo elettrico come un ago di una bussola si allinea in un campo magnetico terrestre). “Nel nostro esperimento, abbiamo bisogno di un campo elettrico estremante forte per vedere se i neutroni sono influenzati” dice Michał Rawlik. “Comunque, il campo magnetico deve essere conosciuto con precisione perché influenza l’energia del neutrone via il suo esistente momento magnetico”. Il ben noto campo magnetico e la frequenza di Larmor sono degli strumenti eccellenti per determinare il dipolo elettrico in modo molto preciso.

Campi magntici precisi a dieci famtotesla

Per il primo passo, I fisici di ETH insieme ai loro collaboratori internazionali hanno ripetuto ultimamente l’esperimento della collaborazione RAL / Sussex / ILL con il loro apparato rinnovato di PSI. Dopo quest’autunno, seguirà un equipaggiamento completamente nuovo, sarà di dimensioni 5 x 5 x 5 metri cubi. Una sfida chiave é quella di riuscire a misurare e a stabilizzare il campo magnetico molto precisamente nel punto della misura. “Noi lavoriamo con dei campi magnetici di un microtesla, il campo magnetico terrestre é di circa 50 microtesla. Allo stesso tempo misuriamo delle variazioni di campo magnetico dell’ordine di dieci femtotesla. Questo é piú piccolo del cambiamento prodotto dalla corrente che circola nel nostro cervello quando pensiamo” dice Rawlik.

Per non disturbare la misura la misura dai campi magnetici vicini, l’esperimento viene schermato da sei strati di mu-metallo. Come extra protezione, Rawlik ha progettato una ‘gabbia magnetica’. Nella costruzione della rete, vengono poste delle bobine di filo, attraverso le quali vengono riversate le correnti che neutralizzano i campi magnetici all'interno della gabbia.

"La costruzione della gabbia e lo sviluppo del software di controllo della corrente rappresentano circa la metà della mia tesi di dottorato", dice Michał Rawlik, che spera di completare la sua tesi di dottorato l'anno prossimo. Ma anche prima che accada, ricercatori provenienti da tutto il mondo possono trarre beneficio dalle intuizioni del giovane scienziato di Zurigo. "ETH ha recentemente accettato di poter mettere il mio lavoro online come software open source", afferma Rawlik, aggiungendo: "non siamo solo tra i migliori al mondo per proteggere il campo magnetico; siamo anche tra i migliori nel misurare e controllare il campo magnetico ". Michał Rawlik sa che tali esperimenti altamente specializzati come nEDM possono avere successo solo attraverso un lavoro scientifico di squadra. Ad esempio, ogni componente utilizzata nell'esperimento viene mandato prima all’interno della collaborazione (www.neutronedm.org) all'Istituto Nazionale di Metrologia Tedesca a Berlino, dove la sua compatibilità magnetica è determinata con la massima precisione.

Autore: Benedikt Vogel

Il dottorando di ETH Michal Rawlik con il suo piccolo prototipo di gabbia, che serve per neutralizzare il campo magnetico nel suo interno.
Il dottorando di ETH Michal Rawlik con il suo piccolo prototipo di gabbia, che serve per neutralizzare il campo magnetico nel suo interno.Immagine: B. Vogel

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  • Fisica delle Particelle Elementari

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