Il muone è la particella di Yukawa?

1932 Scoperta del neutrone

Nello stesso anno in cui i fisici studiando i raggi cosmci scoprirono il positrone, J. Chadwick, scoprì il neutrone.

Egli bombardando sottili lamine di berillio con particelle α emesse dal polonio scoprì che dal berillio venivano emesse delle radiazioni secondarie che non risentivano nè di un campo elettrico nè di un campo magnetico.

Il berillio emette neutroni quando bombardato con particelle α

Ripetendo l'esperimento su altri materiali, dimostrò che tali particelle avevano tutte la stessa massa e che erano prive di carica elettrica e pertando furono chiamate neutroni.

La caratteristica di queste radiazioni è che quando colpivano un bersaglio di paraffina erano capaci di provocare l'emissione di protoni da parte di quest'ultima.

Supponendo elastici gli urti tra le particelle e applicando il principio di conservazione dell'energia e il principio di conservazione della quantità di moto, Chadwick fu in grado di calcolare la massa dei tali particelle (1,67·10-27 Kg).

La scoperta dei neutroni da parte di Chadwick permise finalmente di comprendere la vera struttura del nucleo atomico e di giustificare l'esistenza degli isotopi scoperti in precedenza da Thomson.  Permise inoltre di classificare gli atomi dei vari elementi in funzione del numero atomico.

1935 La teoria di Yukawa

Fin dall'epoca dell'esperimento di Rutherford che aveva messo in luce l'esistenza del nucleo atomico, carico positivamente, i fisici avevano compreso che era necessario supporre l'esistenza d'una nuova forza non elettrica che spiegasse come i protoni, particelle cariche presenti nel nucleo, potessero rimanere vicine e non respingersi sotto l'effetto dell'interazione coulombiana.

La scoperta del neutrone completa finalmente la conoscenza della vera composizione del nucleo e permette ai fisici di fare dei passi avanti nella comprensione della caratteristica della forza nucleare forte, responsabile appunto della coesione dei nuclei. 

Nel 1935 Yukawa, propose l'idea che come esiste una particella, il fotone, che permette la propagazione del campo elettromagnetico ( si dice  una particella "mediatrice" del campo elettromagnetico),  analogamente doveva esistere una particella associata alla forza nucleare. Seguendo questa idea Yukawa sviluppò una teoria che prevedeva dunque l'esistenza di una nuova particella, che doveva avere una massa centinaia di volte superiore a quella dell'elettrone e che doveva essere instabile.Come ormai si era capito inoltre doveva esistere una particella positiva ed una negativa.

Quando nel 1937 si scoprì il muone, la maggior parte dei fisici pensò che questa doveva essere la particella prevista teoricamente da Yukawa. Si effettuarono dunque degli esperimenti per comprendere se i muoni si comportavano come previsto dalla teoria di Yukawa.

Le particelle positive infatti non avrebbe dovuto mai avvicinarsi troppo ad un nucleo atomico a causa della forza di repulsione coulombiana. Perciò ci si aspettava che essa "andasse in giro" per la materia fino a scomparire per decadimento spontaneo.Una particella negativa invece, attratta dalla carica nucleare avrebbe dovuto essere catturata dal nucleo prima di decadere. Ci si doveva quindi attendere che la vita media delle particelle di Yukawa negative doveva essere più breve di quelle positive.

Tuttavia diversi esperimenti condotti negli anni '40, tra cui quello importantissimo effettuato da Conversi , Pancini e Piccioni provarono che i muoni non avevano le caratteristiche previste per le particelle di Yukawa.

La particella prevista da Yukawa venne invece "catturata" grazie ad una nuova tecnica di rivelazione di particelle , mettendo nuovamente in evidenza quell'intima relazione  fra gli sviluppi della tecnica ed i progressi scientifici, di cui la storia è piena.