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La costante ‘variabile’

Una delle predizioni più affascinanti dell’ elettrodinamica quantistica (QED), è l’esistenza di uno stato di minima energia, lo stato di vuoto, che pullula di particelle, più precisamente di coppie particella-antiparticella che esistono per tempi brevissimi e sono perciò dette virtuali. Queste coppie, che si formano nel vuoto come le bolle d’aria nell’acqua di una pentola messa a riscaldare su un fornello, sono principalmente costituite da particelle leggere come elettrone e anti-elettrone (positrone). Ogni tanto però possono formarsi anche coppie di particelle più pesanti, come muone-antimuone o quark-antiquark (i quark sono i costituenti elementari del protone e del neutrone), o  eventualmente coppie di particelle ancora ignote.  Così come le bolle che si formano alla base della pentola risalgono per venire a contatto con la superficie dell’acqua, queste particelle virtuali producono effetti tangibili ai processi fisici che coinvolgono particelle elementari reali.

Dal punto di vista delle proprietà elettriche, il vuoto si comporta alla stregua di un comune materiale isolante. In presenza di una carica elettrica, la distribuzione spaziale di particelle e delle antiparticelle si deformeranno a causa del campo elettrico della carica, che attrarrà le particelle con carica opposta e allontanerà quelle con la stessa carica.

Rappresentazione del fenomeno di polarizzazione del vuoto
Rappresentazione del fenomeno di polarizzazione del vuoto

Questo effetto di polarizzazione del vuoto ha un’importante implicazione.  Se mettiamo a punto un esperimento per misurare la carica elettrica di una particella, il risultato dell’esperimento è funzione di quanto la nostra sonda di misura si avvicina alla carica: diminuisce a grande distanza, mentre aumenta mano a mano che ci avviciniamo alla posizione in cui si trova la carica originaria. In termini tecnici si parla di evoluzione (in inglese, running) della costante di accoppiamento del campo elettromagnetico α, detta anche costante di struttura fine. Questo comportamento è responsabile del fatto che il valore di α misurato all’energia corrispondente alla massa del bosone vettoriale Z0 (circa 90 GeV) sia 1/128, invece del valore di circa 1/137 misurato quando l’energia in gioco è molto piccola.

Ma all’interno del vuoto quantistico ci sono tutti i tipi di particelle, per cui dobbiamo chiederci quali siano le sue proprietà rispetto anche alle altre interazioni della Natura. Scopriamo che le cose non vanno nello stesso modo dell’interazione elettromagnetica. Ad esempio, nei confronti dell’interazione di colore, quella sperimentata dai quark e responsabile della forza nucleare, questa sorta di effetto di schermo procede nel modo opposto: una carica elementare di colore, ad esempio un quark, attira le cariche del vuoto dello stesso colore, mentre respinge quelle di colore opposto. Tale comportamento del vuoto quantistico fa si che, al contrario di quella elettromagnetica, la costante di accoppiamento forte cresca all’aumentare della distanza e si annulli quando i quark sono a contatto tra di loro. Per questo fenomeno si parla di libertà asintotica, comportamento previsto nel 1972 da David Gross, David Politzer  e Frank Wilczek, per questo premiati con il Premio Nobel nel 2004

Tornando all’evoluzione della costante di accoppiamento elettromagnetica, c’è un altro aspetto importante da notare. Infatti, mentre l’effetto di schermo dovuto ai leptoni (elettroni, muoni e tauoni) è conosciuto con altissima precisione, lo stesso non si può dire del contributo delle coppie quark-antiquark. In particolare, tale contributo non e’ nemmeno calcolabile alle energie dell’ordine del GeV, per cui si è costretti a ricorrere a determinazioni indirette.

La collaborazione KLOE-2, analizzando i dati relativi al processo di conversione elettrone-positrone in coppie muone-antimuone, ha misurato per la prima volta il running di α nella regione di energia al di sotto di 1 GeV, mettendo in evidenza in modo spettacolare (si parla di una significatività statistica maggiore di 5 deviazioni standard) il contributo delle coppie virtuali quark-antiquark.

Andamento del quadrato della costante di struttura fine α in funzione della massa invariante della coppia muone-antimuoneNella figura a lato è riportato l’andamento del quadrato della costante di struttura fine α (normalizzato al suo valore, circa 1/137, a energia zero) in funzione della massa invariante della coppia muone-antimuone. I punti rossi sono i dati di KLOE; i punti turchesi e gialli sono, rispettivamente, l’andamento atteso quando si tiene conto del contributo dei quark e dei leptoni, o dei soli leptoni. I punti viola assumono nessun contributo dovuto alla polarizzazione del vuoto. Si tratta della misura più precisa del contributo dei quark al running di α mai ottenuta con un collisore, e il primo in questo intervallo di energia. Essa mostra un ottimo accordo con quanto atteso indirettamente.

L’articolo, in pubblicazione sulla rivista Physics Letters B, può essere scaricato al link: https://arxiv.org/pdf/1609.06631.pdf (Graziano Venanzoni)