I gravitoni, le particelle ipotetiche che trasportano la forza di gravità, sono sfuggiti alla rilevazione per oltre un secolo. Ma ora i fisici hanno progettato un apparato sperimentale che potrebbe in teoria rilevare questi minuscoli oggetti quantistici.
I gravitoni potrebbero essere finalmente rilevati
Allo stesso modo in cui le singole particelle chiamate fotoni sono portatori di forza per il campo elettromagnetico, i campi gravitazionali potrebbero teoricamente avere le proprie particelle portatrici di forza chiamate gravitoni.
Il problema è che interagiscono così debolmente che non sono mai stati rilevati e alcuni fisici ritengono che non lo saranno mai.
Un nuovo studio però, condotto dall’Università di Stoccolma, è più ottimista. Il team ha descritto un esperimento che potrebbe misurare quello che chiamano “effetto gravito-fononico” e catturare gravitoni individuali per la prima volta.
Lo studio
L’esperimento comporterebbe il raffreddamento di una massiccia barra di alluminio da 1.800 chilogrammi a un pelo sopra lo zero assoluto, il collegamento a sensori quantistici continui e l’attesa paziente che le onde gravitazionali la investano. Quando questo avviene, lo strumento vibrerebbe a scale molto piccole, che i sensori potrebbero vedere come una serie di passaggi discreti tra i livelli di energia.
Ognuno di questi passaggi (o salti quantici) segnerebbe la rilevazione di un singolo gravitone. Ogni potenziale segnale potrebbe quindi essere confrontato con i dati provenienti dalla struttura LIGO per assicurarsi che provenga da un evento di onde gravitazionali e non da un’interferenza di fondo.
È un esperimento sorprendentemente elegante, ma c’è un problema: quei sensori quantistici sensibili in realtà non esistono ancora. Detto questo, il team ritiene che costruirli dovrebbe essere possibile nel prossimo futuro.
“Siamo certi che questo esperimento funzionerebbe“, ha affermato il fisico teorico Thomas Beitel, uno degli autori dello studio: “Ora che sappiamo che i gravitoni possono essere rilevati, è un ulteriore incentivo a sviluppare ulteriormente la tecnologia di rilevamento quantistico appropriata. Con un po’ di fortuna, presto si riuscirà a catturare singoli gravitoni“.
Delle quattro forze fondamentali della fisica, la gravità è quella con cui abbiamo più familiarità quotidianamente, ma per molti versi resta la più misteriosa. L’elettromagnetismo ha il fotone, l’interazione debole ha i bosoni W e Z e l’interazione forte ha il gluone, quindi secondo alcuni modelli la gravità dovrebbe avere il gravitone. Senza di esso, è molto più difficile far funzionare la gravità con il Modello Standard della teoria quantistica.
Questo nuovo esperimento potrebbe aiutare, ironicamente tornando ad alcuni dei primi esperimenti nel campo. A partire dagli anni ’60, il fisico Joseph Weber ha cercato di trovare onde gravitazionali utilizzando cilindri di alluminio solido, che erano sospesi a fili di acciaio per isolarli dal rumore di fondo. Se le onde gravitazionali fossero passate, l’idea è che avrebbero innescato vibrazioni nei cilindri che sarebbero state convertite in segnali elettrici misurabili.
Con questa configurazione, Weber ha insistito di aver rilevato le onde gravitazionali già nel 1969, ma i suoi risultati non potevano essere replicati e i suoi metodi sono stati in seguito screditati. Il fenomeno sarebbe rimasto inosservato fino a quando LIGO non le ha trovate nel 2015.
Weber non stava cercando specificamente i gravitoni, ma potrebbe essere possibile con un aggiornamento del 21° secolo al suo esperimento. Il raffreddamento criogenico, insieme alla protezione dal rumore e da altre fonti di vibrazioni, mantiene gli atomi di alluminio il più fermi possibile, quindi i potenziali segnali sono più chiari. E avere a portata di mano un rilevatore di onde gravitazionali confermato è anche utile.
“Gli osservatori LIGO sono molto bravi a rilevare le onde gravitazionali, ma non riescono a catturare singoli gravitoni“, afferma Beitel: “Ma possiamo usare i loro dati per effettuare una correlazione incrociata con il nostro rilevatore proposto per isolare singoli gravitoni”.
I ricercatori affermano che i candidati più promettenti sono le onde gravitazionali provenienti da collisioni tra coppie di stelle di neutroni, all’interno del range di rilevamento di LIGO. Con ogni evento, si stima che un undecilione di gravitoni (ovvero un 1 seguito da 36 zeri) attraverserebbe l’alluminio, ma solo una manciata verrebbe assorbita.
Conclusioni
L’ultimo pezzo del puzzle sono i sensori quantistici. Fortunatamente, il team ritiene che la tecnologia non sia poi così lontana.
“Di recente sono stati osservati salti quantici nei materiali, ma non ancora alle masse di cui abbiamo bisogno“, ha affermato il fisico Germain Tobar della Stockholm University, uno degli autori dello studio: “Ma la tecnologia avanza molto rapidamente e abbiamo più idee su come renderla più semplice”.
La ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Communications.
