CON IL SUPERCOMPUTER TITAN

Un quarto d’ora da neutrone

Calcolata con una precisione senza precedenti, utilizzando la cromodinamica quantistica su reticolo, la costante di accoppiamento assiale del neutrone. Fra gli scienziati che hanno firmato l’articolo, pubblicato su Nature, il fisico Enrico Rinaldi, originario di Cesena e oggi al Brookhaven National Laboratory, nello stato di New York

Titan è uno fra i supercomputer utilizzati per risolvere le complesse equazioni. Crediti: Oak Ridge Laboratory

Quindici minuti di celebrità non si negano a nessuno. O quasi: per un neutrone con qualche ambizione di autonomia, il traguardo del quarto d’ora rimane un sogno. Ogni volta che uno di loro s’azzarda a lasciare il nucleo dell’atomo che lo ospita per farsi strada nel mondo libero, parte un inesorabile ticchettio che conduce la sua breve carriera da solista a conclusione nell’arco – in media – di 14 minuti e 40 secondi. Con un errore, mostrano i risultati di uno studio uscito oggi su Nature, di 14 secondi. La stima della breve attesa di vita del neutrone deriva, a sua volta, dal calcolo di una costante detta di accoppiamento assiale. Costante che il team di fisici autori dello studio ha calcolato essere pari a 1,271 più o meno 0,013. Dunque con un errore che, per la prima volta, scende al di sotto dell’un per cento.

Quella dell’uno per cento non è una soglia qualsiasi. Nella comunità dei fisici che esplorano il mondo dei quanti affidando ai supercomputer la soluzione numerica di altrimenti impossibili equazioni a milioni di variabili, e in particolare fra chi insegue gli eventi dello spaziotempo attraverso la cromodinamica quantistica su reticolo, l’un per cento rappresenta il gold-standard – un po’ come il cinque sigma dei loro colleghi sperimentali. Un risultato pesante, dunque, ottenuto grazie al supercomputer Titan della Oak Ridge Leadership Computing Facility e alla tenacia d’un team di scienziati guidati da Andre Walker-Loud del Lawrence Berkeley National Laboratory.

Fra loro c’è anche un giovane scienziato originario di Cesena, Enrico Rinaldi. Classe 1985, laurea a Milano e dottorato a Edimburgo, Rinaldi è oggi ricercatore postdoc al Riken Research Center del Brookhaven National Laboratory (Bnl), nello stato di New York, dove si occupa non solo di neutroni ma anche di materia oscura.

Enrico Rinaldi. Crediti: Brookhaven National Laboratory

«Quello che abbiamo escogitato è un modo per estrarre la misurazione prima che il rumore prenda il sopravvento e rovini l’esperimento», dice Rinaldi per spiegare il risultato che li ha portati a una predizione così precisa dell’attesa di vita dei neutroni liberi. «Nell’universo, il fatto che i neutroni decadano in protoni è di grande importanza», sottolinea il ricercatore nel comunicato del Bnl. «In pratica, spiega come si sono formati i nuclei atomici di protoni e neutroni dopo il big bang». Un processo affascinante reso possibile dai bosoni W. Un processo che coinvolge un’interazione della forza elettromagnetica debole – la corrente assiale – e che comporta la trasformazione da quark down a quark up di uno dei quark del neutrone, rendendolo così un protone.

«Ma questo», puntualizza Rinaldi, «è un quadro troppo semplicistico: è ciò che accadrebbe a energie estremamente elevate, dove si possono approssimare i quark e gluoni a oggetti liberi». Energie come quelle presenti all’epoca del big bang. Oggi quark e gluoni liberi non sono: si ritrovano incatenati l’un l’altro – a formare particelle come, appunto, neutroni e protoni – da una miriade d’interazioni forti. «Non possiamo dire esattamente quali siano le velocità e le posizioni di tutti i componenti all’interno del neutrone. È un groviglio quantistico fatto di quark, gluoni e delle interazioni fra essi», dice Rinaldi. «Ciò che il bosone W vede è la costante di accoppiamento assiale del nucleone, un numero che parametrizza tutte le interazioni che il bosone W potrebbe avere con i costituenti all’interno del neutrone».

È il numero di cui parlavamo in apertura. Quello riportato con un errore inferiore all’un per cento nell’articolo su Nature. E la difficoltà del calcolarlo è dovuta proprio alla complessità di tutte le interazioni in gioco. Ora che il risultato è stato ottenuto, l’ambizione è quella di scendere al di sotto dello 0,3 per cento. E l’auspicio, dice Rinaldi, «è che questo e altri calcoli resi possibili dalla tecnica computazionale del nostro team possano aiutarci a migliorare la comprensione di protoni e neutroni e a rispondere ad altre domanda in sospeso sulla fisica nucleare, la materia oscura e la natura dell’universo».

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