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Venerdì, Aprile 03, 2020
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L'incredibile longevità dell'elettrone che supera la vita dell'Universo stesso

Per osservare in decadimento di un elettrone, bisogna attendere, in media, 66.000 yotta (ovvero 10 alla 24) anni, un tempo di 19 ordini di grandezza più grande dell'età attuale dell'universo. È quanto hanno stimato i ricercatori della collaborazione internazionale Borexino, l'esperimento ai Laboratori nazionali del Gran Sasso dell'Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN), che firmano un articolo su "Physical Review Letter". Si tratta di un valore limite che migliora di un fattore 100 la precedente stima risalente al 1998 e che rappresenta una conferma della validità del modello standard della fisica delle particelle.

L'elettrone è la particella dotata di carica meno massiccia che si conosca. Questa caratteristica ha due importanti implicazioni. La prima è che, se per ipotesi dovesse decadere, una parte della sua massa si trasformerebbe in energia nel processo, producendo, per il principio di conservazione dell'energia, particelle di massa più piccola. La seconda è che queste ultime, essendo meno massicce dell'elettrone, dovrebbero essere prive di carica elettrica. La carica in sostanza dovrebbe svanire durante il processo, violando il principio di conservazione della carica, secondo cui la carica complessiva prima e dopo il decadimento dev'essere la stessa. Se venisse rilevato sperimentalmente, dunque, questo ipotetico decadimento costringerebbe a rivedere le fondamenta stesse della fisica, innanzitutto il modello standard.

La lunga vita dell'elettrone

Una suggestiva immagine della schiera di fotomoltiplicatori dell'esperimento Borexino (Credit: Marco Pallavicini/INFN)

L'esperimento Borexino, progettato per rilevare neutrini solari, offre un'opportunità unica per verificare l'ipotesi che l'elettrone possa decadere. All'interno di una cupola del diametro di 16 metri, Borexino ospita una struttura "a matrioska", in cui i diversi strati schermano un nucleo di 300 tonnellate di liquido scintillante, il cuore del rivelatore, dalle radiazioni ambientali e dei materiali che costituiscono l'apparato sperimentale.

I neutrini prodotti dal Sole che investono incessantemente il nostro pianeta, interagiscono pochissimo con la materia, ed è per questo che per lungo tempo sono sfuggiti a ogni tentativo di misurazione. Occasionalmente però possono collidere con gli elettroni del liquido scintillante e nell'urto perdere parte dell'energia in forma di un lampo di luce, che viene poi rivelato da appositi strumenti chiamati fotomoltiplicatori.

I ricercatori di Borexino si sono concentrati su un particolare processo, in cui un ipotetico elettrone tra i tanti presenti nel rivelatore, decade producendo un neutrino elettronico (uno dei tre tipi di neutrino che esistono, gli altri due sono il tauonico e il muonico) e un fotone con energia di 256 chiloelettronvolt (migliaia di elettronvolt).

Dall'analisi dei dati raccolti nell'arco di 408 giorni, da gennaio 2012 a maggio 2013, non è stata trovata alcuna traccia di questo decadimento. Dal numero dei giorni di raccolta dati senza decadimenti e dal numero estremamente elevato degli elettroni del liquido scintillante di Borexino, dell'ordine di 10 alla 32, è possibile calcolare la vita media dell'elettrone, un parametro statistico che indica dopo quanto tempo in media una particella o un nucleo instabili decadono.

Nel caso dello specifico decadimento dell'elettrone considerato, la vita media è risultata uguale o maggiore dell'arco di tempo di 6,6 per 10 alla 28 anni, 19 ordini di grandezza più grande dell'età dell'universo.

Si tratta di un limite molto stringente alla possibilità che l'elettrone possa decadere, e rappresenta perciò l'ennesima conferma della correttezza del modello standard della fisica delle particelle. Ma potrebbe essere ulteriormente migliorato.


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