Un cristallo quantistico potrebbe rivelare l’identità della materia oscura

Utilizzando un capriccio della meccanica quantistica, i ricercatori hanno creato un cristallo di berillio in grado di rilevare campi elettromagnetici incredibilmente deboli. Il lavoro potrebbe un giorno essere utilizzato per rilevare ipotetiche particelle di materia oscura chiamate assioni

0
5189

Utilizzando un capriccio della meccanica quantistica, i ricercatori hanno creato un cristallo di berillio in grado di rilevare campi elettromagnetici incredibilmente deboli. Il lavoro potrebbe un giorno essere utilizzato per rilevare ipotetiche particelle di materia oscura chiamate assioni

Il “cristallo di berillio”

I ricercatori hanno creato il loro cristallo quantico intrappolando 150 particelle o ioni di berillio carichi, utilizzando un sistema di elettrodi e campi magnetici per vincer superare la loro naturale repulsione reciproca, come ha spiegato Ana Maria Rey, fisica atomica presso il JILA, un istituto congiunto tra l’Istituto Nazionale di Standards and Technology e l’Università del Colorado Boulder. 

Quando Rey e i suoi colleghi hanno intrappolato gli ioni con il loro sistema di campi ed elettrodi, gli atomi si sono autoassemblati in un foglio piatto spesso due volte più di un capello umano. Questo collettivo organizzato assomigliava a un cristallo che vibrava quando veniva disturbato da una forza esterna. 

“Nel momento in cui ecciti gli atomi, non si muovono individualmente”, ha affermato Rey, “ma si muovono nel loro insieme.”

In sintesi, quando il “cristallo” di berillio ha incontrato un campo elettromagnetico, vibrato in risposta e quella vibrazione può essere studiata per effettuare una misurazione dell’intensità del campo.



Ma le misurazioni di qualsiasi sistema di meccanica quantistica sono soggette a limiti fissati dal principio di indeterminazione di Heisenberg, che afferma che determinate proprietà di una particella, come la sua posizione e il suo momento, non possono essere conosciute contemporaneamente con alta precisione. 

Il team ha trovato un modo per aggirare questo limite con l’entanglement, in cui gli attributi delle particelle quantistiche sono intrinsecamente collegati tra loro. 

“Utilizzando l’entanglement, possiamo percepire cose che altrimenti non sarebbero possibili”, ha affermato Rey.

In questo caso, lei e i suoi colleghi hanno intrecciato i movimenti degli ioni di berillio con i loro giri. I sistemi quantistici assomigliano a minuscole cime e lo spin descrive la direzione verso cui puntano quelle cime. 

Quando il cristallo vibra, si muove di una certa quantità. Ma a causa del principio di indeterminazione, qualsiasi misurazione di quello spostamento, o della quantità di ioni spostati, sarebbe soggetta a limiti di precisione e conterrebbe molto di ciò che è noto come rumore quantistico, ha detto Rey. Per misurare lo spostamento, “abbiamo bisogno di uno spostamento più grande del rumore quantistico”.

L‘entanglement tra i movimenti degli ioni e i loro spin diffonde questo rumore, riducendolo e consentendo ai ricercatori di misurare fluttuazioni ultra-piccole nel cristallo. I ricercatori hanno testato il sistema inviando una debole onda elettromagnetica attraverso di esso e vedendolo vibrare. Il lavoro effettuato è stato riportato sulla rivista Science

Il cristallo è già 10 volte più sensibile nel rilevare piccoli segnali elettromagnetici rispetto ai precedenti sensori quantistici. Ma il team pensa che con più ioni di berillio, potrebbero creare un rivelatore ancora più sensibile in grado di cercare gli assioni.

Cosa sono gli assioni?

L’assione è un’ipotetica particella elementare, implicitamente ipotizzata dalla teoria di Peccei-Quinn per spiegare la non violazione della simmetria CP nell’interazione forte. La violazione, prevista dalla cromodinamica quantistica, non è infatti mai stata osservata, in particolare per l’assenza del momento di dipolo elettrico nel neutrone (cosiddetto problema della CP forte).

Gli assioni sono sospettati di essere una particella costitutiva della di materia oscura ultraleggera con un milionesimo o un miliardesimo della massa di un elettrone. Alcuni modelli di assione suggeriscono che può essere in grado di convertirsi in un fotone. Se un qualsiasi assione volasse attraverso un laboratorio contenente questo cristallo di berillio, il cristallo potrebbe rilevare la sua presenza. 
 

“Penso che sia un bellissimo risultato e un esperimento impressionante”, ha affermato Daniel Carney, un fisico teorico del Lawrence Berkeley National Laboratory di Berkeley, in California, che non è stato coinvolto nella ricerca. 

Oltre ad aiutare nella caccia alla materia oscura, Carney crede che il lavoro potrebbe trovare molte applicazioni, come la ricerca di campi elettromagnetici vaganti o la ricerca di difetti in un materiale.

2