L’esperimento Conversi-Pancini-Piccioni

Piccioni racconta: La mia iniziazione al mesotrone avvenne nel 1940 nelle montagne italiane vicino al Cervino, quando io aiutavo Gilberto Bernardini, Bruno Ferretti ed altri con medio entusiasmo eccetto che per lo sci. Fu soltanto quando vidi nel 1941 un articolo di Rasetti che il mio entusiasmo salì ad un alto livello. Fortunatamente Conversi si unì a me ed insieme…

La preistoria del muone

1935 – Yukawa, dal range delle forze nucleari, risale alla massa del loro mediatore trovandola dell’ordine di 200 me

1937 – Neddermeyer e Anderson, con camera a nebbia comandata in campo magnetico, scoprono che le particelle cariche penetranti dei raggi cosmici hanno massa intermedia tra quelle dell’elettrone e del protone (mesotrone; m fra 100 e 300 me). L’anno dopo ottengono per m un valore circa uguale a 240 me.

1937 – Yukawa identifica il mesotrone dei raggi cosmici con il mesone mediatore delle forze nucleari.

1938 – Per inquadrare il decadimento beta nel proprio modello, Yukawa ipotizza che il mesone sia instabile e decada in un elettrone più un neutrino con vita media dell’ordine del microsecondo.

1938 – Euler e Heisenberg spiegano l’assorbimento anomalo dei mesotroni (la loro intensità risulta attenuata molto più da uno strato di aria che da un equivalente strato, di spessore dell’ordine di 103 volte minore, di materia condensata) in termini di dilatazione relativistica della vita media. Sulla base di stime dello spettro della quantità di moto si determina una prima stima di τ (che risulta essere dell’ordine del microsecondo).

1940 – Tomonaga e Araki concludono che a causa della carica elettrica positiva del nucleo: la competizione tra cattura nucleare e decadimento spontaneo deve essere differente per mesoni di segno opposto in quiete.

1940 – Rossi et al., dalla misura dell’assorbimento anomalo concludono che, se si assume m dell’ordine di 200 me, allora τ è dell’ordine di 2 μs.

1940 – Williams e Roberts osservano in camera di Wilson il decadimento di un mesotrone in un positrone.

1941 – Rasetti determina τ (assumendo che la legge del decadimento sia esponenziale); dalla misura delle velocità di conteggio di tre coincidenze con tempi risolutivi diversi ottiene τ = (1.5 ± 0.3) μs.

1942 – Rossi e Nereson realizzano un convertitore tempo-ampiezza e ottengono τ = (2.15 ± 0.07) μs; questo risultato verrà conosciuto in Italia solo alla fine della guerra.

L’esperimento C.P.P.

Piccioni ed io, quando sul finire del 1941 decidemmo di lavorare insieme, avevamo in mente la determinazione diretta della vita media del mesotrone. Piccioni, con alcuni anni di esperienza più di me, aveva una profonda conoscenza ed un grande entusiasmo per l’elettronica, e la maggior parte dello sviluppo che ne seguì fu dovuto alla sua grande competenza ed ingegnosità in questo campo. (M. Conversi)

1942 – Allo scopo di migliorare la misura di τ eseguita da Rasetti, Conversi e Piccioni cominciano a realizzare un sistema di coincidenze veloci (per misurare τ con il metodo delle coincidenze ritardate): Il compito era già arduo di per sé e venne reso ancora più gravoso, ovviamente, dalle condizioni particolari imposte dalla guerra. (M. Conversi)

Nel giugno ’43, dopo il bombardamento di S. Lorenzo (80 bombe cadono nella città universitaria), l’esperimento viene trasferito in un’aula del Liceo Virgilio (più vicino al Vaticano) e viene completato nei primi mesi del ’44. La legge di decadimento risulta esponenziale, con τ = (2.3 ± 0.14) μs.

1944 – Eseguono un test delle previsioni di Tomonaga e Araki sull’assorbimento dei mesotroni in Fe (senza lenti magnetiche). Usano lo stesso apparato dell’esperimento precedente, ma con un assorbitore di Fe spesso 0,6 cm (invece di 5 cm).
Poiché al livello del mare c’è un eccesso di mesotroni positivi pari a circa il 20%, la frazione prevista h di mesotroni che decadono in Fe dovrebbe essere pari a circa 0.55; trovano h = 0.49 ± 0.07, in accordo con i calcoli di Tomonaga e Araki.

Nel 1944 progettano e realizzano un nuovo apparato per eseguire un ulteriore test delle previsioni di Tomonaga e Araki, inserendovi "lenti magnetiche" che selezionano i mesotroni di un dato segno.

Conversi ricorda che nel ’43, durante una licenza di convalescenza trascorsa a Roma, Pancini aveva discusso con lui e con Piccioni la possibilità di impiego delle lenti magnetiche (per la prima volta utilizzate nella fisica dei raggi cosmici da Rossi nel 1931, su suggerimento di Puccianti) nella sperimentazione sui mesotroni. Conversi conosceva bene questa tecnica per averla utilizzata nel 1940-41.

Poco dopo il 25 aprile del 1945, Pancini, che prima aveva partecipato alla lotta partigiana contro i nazifascisti, inizia a collaborare con Conversi e Piccioni: Fummo molto lieti di averlo con noi nell’attuazione dell’esperimento, sebbene questo fosse quasi completato.

L’esperimento fu concluso alla fine di settembre ’45. Le previsioni di Tomonaga e Araki sembrano essere confermate sperimentalmente. Infatti selezionando i mesotroni positivi si registrano 0.33 ± 0.04 coincidenze ritardate all’ora, con quelli negativi solo 0.07 ± 0.02.

1946 – All’inizio dell’anno, decidemmo di sostituire il ferro con un assorbitore di basso numero atomico, costituito da […] grafite. Secondo Conversi una delle principali ragioni di questa scelta era la speranza di osservare raggi γ di alta energia eventualmente emessi dopo la cattura nucleare dei mesotroni. Conversi ricordava che questa scelta era stata anche motivata dal gusto della completezza sperimentale, dal desiderio di verificare le previsioni di Tomonaga e Araki anche a basso Z, e la grafite era l’unico materiale a basso Z ottenibile in breve tempo sul mercato in quei giorni.

I risultati (espressi in numero di coincidenze ritardate/ora) furono: senza assorbitore circa 0.01; con assorbitore:

Questo risultato era completamente imprevisto, e noi credemmo dapprima che ci fosse qualche disfunzione nel nostro apparato. Tutti i test cui è sottoposto l’apparato sperimentale danno però esito positivo. L’effetto osservato non è pertanto strumentale; in proposito, è molto significativo che quando vengono selezionati i mesotroni negativi le coincidenze ritardate "scompaiono" sostituendo la grafite con il ferro.

Il risultato di Conversi, Pancini e Piccioni falsifica la teoria di Tomonaga e Araki (basata sull’ipotesi che il mesotrone sia il mesone di Yukawa).

Fermi, informato da Amaldi alla fine del 1946, poco dopo giunge, insieme a Teller e a Weisskopf, a calcolare i tempi di rallentamento di un mesotrone (che risultano molto minori di 2 μs) e alla conclusione che la probabilità di assorbimento di un mesotrone negativo in quiete è di un fattore 10¹² inferiore a quella prevedibile per un mesone di Yukawa.

L’esperimento C.P.P. indica pertanto che il mesotrone dei raggi cosmici è un oggetto completamente diverso (eccezion fatta per la massa) dal mesone di Yukawa.

Nell’estate del 1947 Marshak e Bethe avanzano l’ipotesi che il mesone di Yukawa, fortemente interagente, prodotto nell’alta atmosfera dai protoni primari, decada nel mesotrone, debolmente interagente, osservato a livello del mare.

Contemporaneamente, Wheeler deriva la «legge dello Z⁴» per la cattura dei mesotroni negativi: probabilità di cattura in un secondo = 1/τc = (1/τ)·(Z/Z0)⁴, con Z0 dell’ordine di 11.

Sempre nell’estate del 1947, Pontecorvo sottolinea che il tasso di cattura dei mesotroni da parte dei nuclei è dello stesso ordine di grandezza di quello della cattura K degli elettroni atomici (tenuto conto dello spazio delle fasi e delle diverse dimensioni delle orbite di Bohr) e suggerisce che il mesotrone abbia spin 1/2 e sia catturato con l’emissione di un neutrino (m^– + p → n + ν).

Infine nel 1947, il gruppo di Bristol composto da Lattes, Muirhead, Occhialini e Powell scopre in emulsioni nucleari esposte ad alta quota che vi sono due particelle di massa intermedia, il pione (da identificarsi con il mesone di Yukawa) e il muone; e che il pione decade nel muone più una particella neutra leggera (probabilmente un neutrino).

Nel 1948 si hanno le prime indicazioni che il muone decade in un elettrone con un processo a tre corpi (probabilmente m → e + 2 ν).

Luis Alvarez, premio Nobel 1968 dirà: La moderna fisica delle particelle ebbe inizio durante gli ultimi giorni della seconda guerra mondiale, quando un gruppo di giovani italiani, Conversi, Pancini e Piccioni, iniziarono un notevole esperimento.

La fisica delle particelle si rivela sin dal nascere estremamente problematica e quindi estremamente interessante: nessuno infatti riesce inizialmente a capire quale sia il ruolo del muone.

Il muone era come un bambino abbandonato sul sagrato, rappresentava la fine dell’età dell’innocenza. (Gell-Mann)

Oggi il muone, con gli altri cinque leptoni e con i sei quark (le cui interazioni sono mediate dai bosoni di gauge), è uno dei "mattoni" del cosiddetto Modello Standard che ben descrive le nostre conoscenze attuali.

(Tratto da: F. Sebastiani, F. Rebuzzi. L’esperimento Conversi-Pancini-Piccioni, Università di Roma La Sapienza, Museo di Fisica, Collezione Fermi)