0479. L’elettrone ha una struttura?

Per quanto ne sappiamo fino a questo momento, non solo l'elettrone, ma tutti i costituenti elementari della materia finora conosciuti, ovvero i suoi cugini più pesanti (mu e tau) e i neutrini, che insieme all'elettrone formano la famiglia dei leptoni, e i quark, che costituiscono i protoni e i neutroni, si comportano esattamente come prevediamo debbano fare delle particelle senza struttura interna. L'elettrone, in particolare, è stato scoperto più di 120 anni fa e, nonostante gli innumerevoli esperimenti di cui è stato protagonista, a energie via, via crescenti, non ha mai lasciato trapelare nulla che facesse pensare altrimenti.

Ciò contrasta con quanto avvenuto per atomi e poi per nuclei e quindi per protoni e neutroni che invece hanno rivelato sperimentalmente di avere una loro struttura. Naturalmente potrebbe essere solo una questione di "risoluzione", cioè del fatto che non abbiamo esaminato finora l'elettrone con dettaglio sufficiente. Il che, nel linguaggio delle interazioni fra particelle, si traduce dicendo che nessun effetto si è visto finora, né al LEP, né altrove, in quanto l'energia delle interazioni fra particelle utilizzate è stata troppo bassa. C'è una relazione inversa, infatti, fra risoluzione, capacità di vedere i dettagli, delle particelle che usiamo come sonda, e la loro energia: alla massima energia del LEP (circa 200 GeV) la risoluzione è dell'ordine di 10^-18 m e, pur ad una scala di dimensioni così infinitesima, le misure fatte dagli esperimenti non hanno visto nulla che si discosti da ciò che la teoria prevede avvenga con particelle puntiformi. Analoghi studi fatti ad HERA, dove si scontravano elettroni da 27.5 GeV con protoni da 920 GeV, hanno portato a limiti superiori analoghi sul raggio dei quark (0.43 x 10^-18 m). In realtà se l'elettrone non si comportasse come una particella puntiforme si osserverebbero anche altri effetti. Ad esempio, l'elettrodinamica quantistica (QED) prevede esattamente quanto deve essere il momento magnetico di una particella carica puntiforme e l'accordo con i dati sperimentali è fra i più spettacolari che si siano mai ottenuti in fisica, di qualche parte su 10¹³ (dieci migliaia di miliardi). Anche da tali misure si può escludere che il raggio efficace dell'elettrone possa essere maggiore di 10^-18 m.

Ci si può inoltre chiedere quali effetti si vedrebbero se leptoni e quark fossero in realtà costituiti da componenti più elementari e confrontare le aspettative con i dati. È ciò che si è fatto a LEP e si fa adesso ad LHC, ma finora senza si sia evidenziato nessun effetto anomalo. Questo permette di escludere che vi siano componenti elementari legati da forze che diventino efficaci ad una scala di energia inferiore ai 10 TeV. Infine si può speculare che se vi fossero costituenti di elettroni e quark potrebbero succedere quello che si osserva negli atomi, ovvero, che, accanto agli stati fondamentali ne esitano altri "eccitati" che corrispondono a livelli energetici diversi. Sono state effettuate quindi ricerche per evidenziare catene di decadimento di possibili leptoni e quark eccitati ma nulla si è trovato. Secondo le misure più recenti effettuate ad LHC, si può escludere che esistano elettroni eccitati di massa inferiore a circa 4 TeV, una valore 7 ordini di grandezza maggiore della massa dell'elettrone. Insomma, se l'elettrone ha dei segreti, se li tiene ben stretti ed è probabile che non ne sapremo di più fino a quando non avremo a disposizione acceleratori ancora più potenti dell'attuale LHC.