Anche il neutrone nel suo piccolo ha i suoi misteri

Sembra che tenga un basso profilo, e invece...

I neutroni sono particelle subatomiche che assieme ai protoni compongono il nucleo atomico. Hanno proprietà sostanzialmente identiche a quelle dei protoni, e come loro sentono la forza nucleare. La massa di un neutrone è praticamente uguale a quella del protone, soltanto lo 0,13% più grande, e entrambi hanno spin 1/2. L'unica vera differenza è la loro carica elettrica, che è zero, contrariamente a quella dei protoni, che è invece, per convenzione, positiva (+1). La carica del nucleo atomico è quindi data dal numero di protoni in esso contenuti, quantità quest'ultima che corrisponde al numero atomico dell'atomo, e che differenzia i vari elementi chimici, dall'Idrogeno, che nel nucleo ha un solo protone, fino all'Uranio, che ha 92 protoni.

Tutte le caratteristiche chimiche degli atomi, i loro legami, la capacità di legarsi in molecole, dipende esclusivamente dal numero di protoni dei loro nuclei, che è uguale al numero di elettroni. Nella chimica il neutrone non gioca nessun ruolo.

E quindi a che servono i neutroni? Perché la natura ne ha bisogno? Perché deve infilarli dentro i nuclei atomici?

Un indizio sull'uso che la natura fa dei neutroni viene dall'osservazione di quanti neutroni sono presenti nei nuclei passando dal nucleo più semplice (l'Idrogeno) al più complesso (l'Uranio), come mostrato nel grafico qua sotto.

Numero dei neutroni nei nuclei, in funzione del numero di protoni. La riga corrisponde ad un uguale numero fra protoni e neutroni.

Si vede che per bassi valori del numero atomico (che è il numero di protoni nel nucleo) il numero di neutroni cresce proporzionalmente. In pratica tanti neutroni quanti sono i protoni. Poi però, superato grosso modo il numero atomico 20, che corrisponde al Calcio, il numero di neutroni aumenta più velocemente di quello dei protoni. Perché? Perché la natura sente il bisogno di piazzare sempre più neutroni dentro il nucleo atomico, all'aumentare del numero dei protoni?

Il motivo sta nel fatto che i protoni hanno tutti carica elettrica positiva, e quando stanno tutti belli appiccicati dentro un nucleo, tendono a respingersi l'uno con l'altro, perché cariche elettriche uguali si respingono. Se non ci fosse la forza nucleare, che al contrario è attrattiva, il nucleo atomico non potrebbe quindi esistere. La forza nucleare fa sì che i protoni si attraggano a vicenda in modo più forte della repulsione elettrica.

La forza nucleare, però, ha un raggio d'azione molto breve, che vale circa 1 Fermi (che corrisponde a 10 alla -13 cm), che è una distanza confrontabile con le dimensioni di un nucleo non troppo grande. Quindi con l'aumentare del numero di protoni le dimensioni del nucleo crescono e i protoni fanno sempre più fatica ad abbracciarsi tutti assieme tramite la forza nucleare. Parti "distanti" del nucleo non si sentono reciprocamente tramite la forza nucleare, e la stabilità del nucleo stesso diventerebbe difficile.

Ecco che entrano in gioco i neutroni, che opportunamente introdotti nei nuclei aggiungono attrazione nucleare, dato che tramite essa si agganciano sia ad altri neutroni che ai protoni, ma allo stesso tempo non contribuiscono alla repulsione elettromagnetica, non avendo carica elettrica. I neutroni, in pratica, diluiscono la repulsione elettromagnetica nei nuclei aggiungendo contemporaneamente attrazione nucleare, e in questo modo rendono più stabili i nuclei. Ecco quindi che quando i protoni nel nucleo diventano tanti, c'è bisogno di neutroni in numero sempre maggiore per garantire la stabilità del tutto.

Nuclei con un dato numero di protoni e un diverso numero di neutroni si chiamano Isotopi di un certo elemento. Ad esempio il Carbonio ha 6 protoni, e questo basta per determinare le sue proprietà chimiche, cioè il suo modo di formare molecole o di reagire chimicamente. Però, oltre ai 6 protoni che lo rendono Carbonio e non qualcos'altro, il numero di neutroni nel nucleo può variare da 2 a 16. I più comuni sono la versione con 6 neutroni, detta C12, con 7 neutroni, il C13, e quella con 8 neutroni, il famoso C14. Dal punto di vista chimico sono sempre Carbonio ma dal punto di vista nucleare questi nuclei hanno comportamenti diversi. Tanto per dirne una, il C12 è molto stabile (altrimenti non saremmo qui) mentre altri isotopi del Carbonio lo sono molto meno.

Il neutrone ha poi una proprietà non da poco. Il fatto che sia un filo più pesante del protone, anche se solo di pochissimo, gli permette, quando gli aggrada, di trasformarsi (decadere, in gergo) in un protone più un elettrone e un anti-neutrino. Questo processo si chiama "decadimento beta" del neutrone, un processo che è regolato dall'interazione "debole".

Un neutrone libero, fuori dal nucleo atomico, decade mediamente dopo un quarto d'ora da quando è stato prodotto in seguito a qualche processo subatomico. Un quarto d'ora è un'eternità per i tempi di decadimento tipico delle particelle elementari, che in genere vanno dal microsecondo del muone al milionesimo di miliardesimo di miliardesimo di secondo delle particelle più pesanti.  Questa vita media così lunga è dovuta alla differenza di massa piccolissima fra la massa del neutrone e la somma delle masse del protone, dell'elettrone e dell'antineutrino, che sono le particelle in cui il neutrone decade. In pratica questa piccolissima differenza di massa impedisce al neutrone di decadere velocemente, come fanno altri suoi colleghi come il muone o il pione, sebbene dal punto di vista del processo fondamentale che regola il decadimento, neutroni, pioni e muoni decadano esattamente allo stesso modo, tramite le interazioni deboli.

La lentezza del decadimento del neutrone è dovuta al fatto che, per decadere, questa particella deve "quasi" violare il principio di conservazione dell'energia, e questo gli impedisce di decadere velocemente come fanno tutti i suoi colleghi. Tutto questo accade quando il neutrone è libero, fuori dai nuclei.

E nel nucleo? Perché il neutrone nei nuclei invece non decade, ma se ne sta lì a volte per l'eternità? Che è un bene, per carità! Se, tanto per dire, dentro i nostri atomi di carbonio uno dei neutroni decadesse come gli succede quando è fuori dal nucleo, il nucleo dell'atomo si trasformerebbe da Carbonio a Azoto. Se invece uno dei neutroni presenti nel nucleo di ossigeno decadesse, l'ossigeno diventerebbe fluoro. Fa bene per i denti, ma da respirare non sarebbe un gran che, e il risultato è che noi non saremmo qui.

Il motivo per cui normalmente il neutrone dentro un nucleo atomico è stabile e non decade è dovuto al fatto che l'energia di legame che lo lega al resto dei protoni e dei neutroni, è di segno negativo, e quindi ha l'effetto di abbassare la sua massa effettiva nel nucleo, rendendolo in pratica più leggero del protone. Il neutrone in pratica è come se nel nucleo atomico stesse bello comodo, senza avere l'energia sufficiente per alzarsi dalla poltrona e decadere. E a questo punto il principio di conservazione dell'energia gli impedisce di decadere, e lui se ne resta dentro il nucleo bello tranquillo, per la nostra soddisfazione, e per la soddisfazione di tutto il resto.

Per i protoni è invece l'esatto contrario. Un protone libero resta protone per sempre, perché anche volendo, non saprebbe come decadere. Qualunque modo scegliesse per decadere, violerebbe qualche principio di conservazione di quelli importanti. E quindi è costretto a restare protone. Anche questa è una fortuna non da poco. Una di quelle che ci permette di stare in questo mondo a cazzeggiare, perché l'idrogeno, che è l'elemento che compone le stelle e è il più abbondante nell'universo, ha il nucleo fatto di un solo protone. Se quel protone potesse decadere dopo un quarto d'ora, come farebbe il neutrone se lasciato solo, addio stelle, addio terra, addio vita, addio blog di Helter Skelter.

Qualche anno fa facevano la pubblicità dei diamanti, che diceva "regala un diamante, un diamante è per sempre". Sarebbe stato meglio "regala un protone, un protone è per sempre". Che un protone è moooolto più per sempre di un diamante, e costa anche meno. Certo, ci fai meno bella figura quando lei lo scarta e apre la scatola, anche perché nemmeno si vede, però sulla durata non si discute. Nessuno, infatti (inteso nessun esperimento di quelli che ci hanno provato), ha mai visto un protone libero decadere, tanto che la sua vita media è sicuramente maggiore di 10 alla 33 anni. Molto maggiore della vita dell'universo, che è di 10 alla 10 anni.

Però un protone non libero, ovvero dentro un nucleo, in certi casi può diventare più pesante del neutrone acquisendo energia dall'energia di legame (sempre dovuto a questa storia che massa e energia sono la stessa cosa), e quindi a quel punto può decadere, trasformandosi in un neutrone, un positrone (l'antiparticella dell'elettrone) e un neutrino. Anche questo è un decadimento beta come quello del neutrone, solo in direzione opposta: i neutroni lo fanno se sono liberi, mentre i protoni possono farlo, in particolari condizioni, nei nuclei.

Ci sono infatti nuclei in cui lo stato dei neutroni o dei protoni è instabile, e questi possono prima o poi decadere, o catturare un elettrone e trasformarsi in qualcos'altro, rendendo i nuclei radioattivi. Ad esempio il Potassio 40, ovvero l'isotopo 40 del Potassio, che contiene 19 protoni e 21 neutroni, è instabile, e decade "beta". Quando questo avviene un neutrone al suo interno si trasforma in protone e cambia il nucleo da Potassio a Calcio. Questo processo è accompagnato dall'emissione di un elettrone, che è quello che in genere viene chiamato "radioattività".

Le banane ad esempio contengono molto potassio, e quindi anche Potassio 40 in una percentuale dello 0.012%. Una banana al giorno corrisponde all'1% della dose di radioattività naturale che assorbiamo quotidianamente. Altri cibi "radioattivi" sono le noci brasiliane, le carote, le patate, la carne rossa, e - questa non ci voleva proprio -  la birra! Ah, anche il burro di arachidi, ma con quello non c'è pericolo che faccia stravizi. Dopo l'olio di palma, che recentemente è risultato essere l'ingrediente più dannoso alla salute nella storia dell'umanità, e per questa ragione bandito da tutti i prodotti, dai biscotti alle candele per le auto, la prossima campagna salutista sarà "non contiene Potassio 40" scritto bello grosso sulle banane.

Ma anche il neutrone, che sembra così tranquillo e riservato, di cui credi di sapere tutto e da cui non ti aspetteresti mai un colpo di testa, riserva un mistero non da poco. Le misure della sua vita media hanno infatti qualcosa di strano, che potrebbe nascondere implicazioni molto profonde e inaspettate.

La vita media è, detto in soldoni, il tempo che impiega un numero molto grande di neutroni liberi a dimezzarsi in seguito ai loro decadimenti. Non è proprio dimezzarsi, ma la sostanza non cambia.

Per misurare la vita media ci sono due possibilità: la prima è produrre un fascio di neutroni, contare quanti ne vengono prodotti e quanti ne decadono trasformandosi in protoni (che è l'unico modo conosciuto che ha il neutrone di decadere).  Il secondo modo è quello di intrappolare dei neutroni a bassissime temperature dentro un opportuno contenitore, e di contare quanti ne restando dopo un po'. Le bassissime temperature servono a ridurre l'energia cinetica dei neutroni in modo che stiano tranquilli e non si agitino troppo sbattendo di qua e di là dentro il contenitore, cosa che potrebbe alternarne lo stato (e il numero). La prima misura conta quanti neutroni muoiono, la seconda conta quanti neutroni restano vivi. Le due misure, che concettualmente dovrebbero dare risultati uguali, differiscono fra loro di 8 secondi su un totale di circa 880 secondi, con una significatività di 4 sigma.

Quattro sigma è la classica incertezza delle misure sperimentali che non è né carne né pesce. E' quel valore carogna che ti fa sospettare che le due misure possano veramente essere diverse, ma senza averne la certezza. Se fosse di meno, mettiamo tre sigma, il dubbio che si tratti di una fluttuazione statistica o di una non corretta stima degli effetti sistematici sarebbe più che lecito. Il cimitero delle presunte scoperte a 3 sigma, rivelatesi poi un falso allarme, in fisica è affollatissimo. Se invece fossero 5 o 6 sigma, in generale si parlerebbe di scoperta (sempre che gli errori sistematici siano stati correttamente valutati). Quattro sigma invece è quella cosa che non sai cosa dire. Non ti sbilanci troppo, perché potrebbe ancora essere una fluttuazione statistica, ma potrebbe essere che ci sia qualcosa di nuovo sotto, e quindi è il caso di starci dietro e fare misure più precise e accurate. 

E tornando ai nostri neutroni, la misura in cui si contano i neutroni decaduti dal numero di protoni che saltano fuori, dà una vita media più lunga rispetto all'altra, nella quale si contano invece quanti neutroni restano ancora vivi.

Ma perché è così importante che le due misure diano lo stesso risultato? A parte la risposta ovvia, cioè che la vita media del neutrone quella deve essere, e non due diverse a seconda di come la si misura, la cosa che rende questa discrepanza interessante è che, se guardiamo bene, in un caso determiniamo i decadimenti dei neutroni contando i protoni che saltano fuori, mentre nell'altro contiamo i neutroni sopravvissuti.

Dietro il fatto che le due misure dovrebbero dare risultati identici c'è l'assunzione che il neutrone decada sempre nel modo noto, cioè emettendo un protone. Quindi le due misure potrebbero essere diverse se il neutrone non decadesse sempre in protone + elettrone + antineutrino, ma anche in qualcos'altro, di cui però non ce ne siamo mai accorti. Se questo fosse vero, se noi stiamo lì a contare i protoni che saltano fuori, perché siamo convinti che quello è l'unico modo che hanno per decadere, quel qualcos'altro ce lo perderemmo. E concluderemmo che la vita media del neutrone è maggiore di quello che invece è realmente.

La cosa potrebbe essere molto interessante se questo qualcos'altro fosse, ad esempio, qualche particella responsabile della materia oscura. Infatti il decadimento dei neutroni ha avuto un ruolo fondamentale nei primi istanti di vita dell'universo, quando protoni e neutroni vagavano liberi assieme a elettroni e fotoni, prima della cosiddetta nucleosintesi, cioè la formazione dei nuclei di Idrogeno e Elio. All'epoca i neutroni erano liberi, e sono in parte decaduti in quella manciata di minuti che hanno avuto a disposizione prima di legarsi definitivamente dentro nuclei di Deuterio, Trizio e Elio. Un eventuale canale anomalo di decadimento del neutrone avrebbe potuto produrre particelle di materia oscura che sarebbero sopravvissute indisturbate fino ad oggi, con importanti ripercussioni cosmologiche. Per questo è importante vederci chiaro su questo aspetto.

Un altro aspetto curioso e intrigante del neutrone è cosa sarebbe successo all'universo se la massa del neutrone fosse stata leggermente inferiore a quella del protone, e non il contrario come invece è. In quel caso sarebbero stati i protoni liberi a decadere in neutroni tramite decadimento beta, e il risultato è che praticamente non ci sarebbe stato idrogeno in giro per l'universo, dato che il nucleo di idrogeno è principalmente costituito da un solo protone e basta. Non ci sarebbe stato quindi l'elemento che invece è il più diffuso nell'universo, e che costituisce la materia e il carburante del sole e delle stelle. E l'effetto più tragico di questa insana decisione della natura sarebbe stato che questo meraviglioso blog di scienza e cazzeggio non sarebbe mai esistito.

Un po' di Bibliografia per approfondire:

Protons and neutrons: the massive pandemonium in matter.

Mystery of neutron-lifetime discrepancy deepens.