Gravità: atomi in caduta libera aprono nuove frontiere

Un team di ricercatori della UC Berkeley ha perfezionato la sensibilità degli esperimenti sulla gravità combinando un interferometro atomico con un reticolo ottico. Questo approccio innovativo permette di mantenere gli atomi in caduta libera per periodi significativamente più lunghi, aumentando la precisione delle misurazioni.

L’obiettivo di questo esperimento è quello di individuare eventuali deviazioni dalla teoria gravitazionale di Newton, che potrebbero rivelare nuovi aspetti quantistici della gravità. I ricercatori sperano anche di poter testare l’esistenza di particelle esotiche come i camaleonti o i simmetroni, ipotizzate per spiegare la materia oscura che permea l’Universo.

Il bagliore viola di un laser infrarosso illumina il banco ottico utilizzato nell'esperimento. Il laser viene utilizzato per controllare con precisione gli stati quantistici degli atomi di cesio in una camera a vuoto. Credito: laboratorio Holger Müller
Il bagliore viola di un laser infrarosso illumina il banco ottico utilizzato nell’esperimento. Il laser viene utilizzato per controllare con precisione gli stati quantistici degli atomi di cesio in una camera a vuoto. Credito: laboratorio Holger Müller

Atomi in caduta libera per svelare i misteri dell’energia oscura e della gravità

Venticinque anni fa, i fisici hanno scoperto l’energia oscura, una forza misteriosa che spinge l’universo ad espandersi ad un ritmo sempre crescente. Da allora, la ricerca di una particella nuova ed esotica che sia la causa di questa espansione è diventata inarrestabile.

Ora, un team di fisici dell’Università della California, Berkeley, ha spinto ulteriormente i confini di questa ricerca costruendo l’esperimento più preciso mai realizzato per cercare piccole deviazioni dalla teoria gravitazionale standard. Queste deviazioni potrebbero rivelare l’esistenza di una particella ipotetica, soprannominata camaleonte o simmetrone dai teorici.

L’esperimento ha combinato un interferometro atomico, che permette misurazioni estremamente precise della gravità, con un reticolo ottico per mantenere gli atomi in posizione. Grazie a questo innovativo approccio, i ricercatori sono riusciti a immobilizzare gli atomi in caduta libera per secondi anziché millisecondi, migliorando di cinque volte la precisione rispetto alle misurazioni precedenti.

Questo progresso apre nuove e interessanti possibilità per la ricerca futura sulla gravità e sulla natura dell’energia oscura.

Un reticolo ottico intrappola gruppi di atomi (dischi blu) in una matrice regolare in modo che possano essere studiati per più di un minuto all'interno di un interferometro di atomi reticolari. I singoli atomi (punti blu) sono posizionati in una sovrapposizione spaziale quantistica, ovvero in due strati del reticolo contemporaneamente, indicati dalle bande gialle allungate. Credito: Sarah Davis
Un reticolo ottico intrappola gruppi di atomi (dischi blu) in una matrice regolare in modo che possano essere studiati per più di un minuto all’interno di un interferometro di atomi reticolari. I singoli atomi (punti blu) sono posizionati in una sovrapposizione spaziale quantistica, ovvero in due strati del reticolo contemporaneamente, indicati dalle bande gialle allungate. Credito: Sarah Davis

Esplorando la natura quantistica della gravità

Anche se i ricercatori non hanno trovato alcuna deviazione da quanto previsto dalla teoria formulata da Isaac Newton 400 anni fa, i miglioramenti attesi nella precisione dell’esperimento potrebbero alla fine fornire prove che supportano o smentiscono le teorie di un’ipotetica quinta forza mediata da camaleonti o simmetroni. .

La capacità dell’interferometro ad atomi reticolari di trattenere gli atomi fino a 70 secondi, e potenzialmente 10 volte di più, apre anche la possibilità di sondare la gravità a livello quantistico, ha affermato Holger Müller, professore di fisica alla UC Berkeley. Mentre i fisici hanno teorie ben collaudate che descrivono la natura quantistica di tre delle quattro forze della natura, l’elettromagnetismo e le forze forti e deboli, e la natura quantistica della gravità non sono mai state dimostrate.

Müller ha dichiarato: “La maggior parte dei teorici probabilmente concorda sul fatto che la gravità sia quantistica. Ma nessuno ha mai visto una firma sperimentale di questo. È molto difficile anche solo sapere se la gravità è quantistica, ma se potessimo tenere i nostri atomi 20 o 30 volte più a lungo di chiunque altro, perché la nostra sensibilità aumenta con la seconda o quarta potenza del tempo di tenuta, potremmo avere una probabilità da 400 a 800.000 volte maggiore di trovare una prova sperimentale che la gravità è effettivamente meccanica quantistica”.

Oltre alle misurazioni di precisione della gravità, altre applicazioni dell’interferometro atomico reticolare includono il rilevamento quantistico.

Cristian Panda, borsista post-dottorato presso l’UC Berkeley, primo autore di un articolo sulle misurazioni della gravità che verrà pubblicato questa settimana sulla rivista Nature e di cui è coautore Müller, ha affermato: “L’interferometria atomica è particolarmente sensibile alla gravità o agli effetti inerziali. Si possono costruire giroscopi e accelerometri. Ma questo apre una nuova direzione all’interferometria atomica, dove il rilevamento quantistico di gravità, accelerazione e rotazione potrebbe essere effettuato con atomi tenuti in reticoli ottici in un pacchetto compatto che è resiliente alle imperfezioni ambientali o al rumore”.

Poiché il reticolo ottico mantiene gli atomi rigidamente al loro posto, l’interferometro atomico reticolare potrebbe funzionare anche in mare, dove vengono impiegate misurazioni sensibili della gravità per mappare la geologia del fondale oceanico.

L’energia oscura è stata scoperta nel 1998 da due team di scienziati: un gruppo di fisici con sede al Lawrence Berkeley National Laboratory, guidato da Saul Perlmutter, ora professore di fisica alla UC Berkeley, e un gruppo di astronomi che includeva il borsista post-dottorato della UC Berkeley Adam Riess. I due hanno condiviso il premio Nobel per la fisica del 2011 per la scoperta.

La scoperta che l’universo si espande ad un ritmo accelerato è avvenuta grazie all’osservazione di supernove lontane, utilizzate per misurare le distanze cosmiche. Nonostante le numerose ipotesi formulate dai teorici sulla natura di questa espansione accelerata, l’energia oscura rimane un mistero, un enigma di proporzioni immense, dato che rappresenta circa il 70% dell’intera materia ed energia dell’universo.

Tra le ipotesi più suggestive, l’energia oscura potrebbe essere semplicemente l’energia del vuoto dello spazio. Un’altra teoria la identifica come un campo energetico, denominato quintessenza, che varia nel tempo e nello spazio.

Un’altra affascinante ipotesi ha proposto che l’energia oscura sia una quinta forza, molto più debole della gravità, mediata da una particella ipotetica. Questa particella eserciterebbe una forza repulsiva che varia in base alla densità della materia circostante. Nel vuoto dello spazio, la sua forza repulsiva agirebbe su lunghe distanze, dilatando l’universo. Tuttavia, in un ambiente ricco di materia, come un laboratorio terrestre, la sua portata sarebbe estremamente ridotta, rendendola difficile da individuare.

A causa di questa caratteristica di mimetizzarsi tra la materia, questa particella ipotetica ha ricevuto il soprannome di “camaleonte”.

In questa fotografia, si possono vedere ammassi di circa 10.000 atomi di cesio fluttuare in una camera a vuoto, fatti levitare da raggi laser incrociati che creano un reticolo ottico stabile. Nella parte superiore sono visibili un peso cilindrico in tungsteno e il relativo supporto. Crediti: Cristian Panda, UC Berkeley
In questa fotografia, si possono vedere ammassi di circa 10.000 atomi di cesio fluttuare in una camera a vuoto, fatti levitare da raggi laser incrociati che creano un reticolo ottico stabile. Nella parte superiore sono visibili un peso cilindrico in tungsteno e il relativo supporto. Crediti: Cristian Panda, UC Berkeley

Atomi in caduta libera, in cerca di camaleonti e gravità quantistica

Nel 2015, Müller ha adattato un interferometro atomico per cercare prove dell’esistenza di camaleonti utilizzando atomi di cesio lanciati in una camera a vuoto, che imita il vuoto dello spazio. Durante i 10-20 millisecondi necessari agli atomi per salire e scendere sopra una sfera di alluminio pesante, lui e il suo team non hanno rilevato alcuna deviazione da quanto ci si aspetterebbe dalla normale attrazione gravitazionale della sfera e della Terra.

La chiave per utilizzare gli atomi in caduta libera per testare la gravità è la capacità di eccitare ciascun atomo in una sovrapposizione quantistica di due stati, ciascuno con una quantità di moto leggermente diversa che li trasporta a distanze diverse da un pesante peso di tungsteno sospeso sopra di loro. Lo slancio più elevato e lo stato di elevazione più elevato sperimentano una maggiore attrazione gravitazionale sul tungsteno, cambiandone la fase. Quando la funzione d’onda dell’atomo collassa, la differenza di fase tra le due parti dell’onda di materia rivela la differenza nell’attrazione gravitazionale tra di loro.

Müller ha spiegato: “L’interferometria atomica è l’arte e la scienza di utilizzare le proprietà quantistiche di una particella, ovvero il fatto che è sia una particella che un’onda. Dividiamo l’onda in modo che la particella segua due percorsi contemporaneamente e poi li interferiamo alla fine. Le onde possono essere in fase e sommarsi, oppure possono essere fuori fase e annullarsi a vicenda. Il problema è che il fatto che siano in fase o fuori fase dipende in modo molto sensibile da alcune quantità che potresti voler misurare, come l’accelerazione, la gravità, la rotazione o le costanti fondamentali”.

Nel 2019, Müller e i suoi colleghi hanno aggiunto un reticolo ottico per mantenere gli atomi vicini al peso del tungsteno per un tempo molto più lungo – ben 20 secondi – per aumentare l’effetto della gravità sulla fase. Il reticolo ottico impiega due raggi laser incrociati che creano una serie di punti stabili in cui gli atomi possono riunirsi, levitando nel vuoto. Ma 20 secondi erano il limite, si è chiesto?

Durante il culmine della pandemia di COVID-19, Cristian Panda ha lavorato instancabilmente per estendere il tempo di attesa, fissando sistematicamente un elenco di 40 possibili ostacoli fino a stabilire che l’inclinazione oscillante del raggio laser, causata dalle vibrazioni, rappresentava una limitazione importante. Stabilizzando il raggio all’interno di una camera risonante e regolando la temperatura per renderlo un po’ più freddo – in questo caso meno di un milionesimo di Kelvin sopra lo zero assoluto, o un miliardo di volte più freddo della temperatura ambiente – è stato in grado di estendere il tempo di permanenza a 70 secondi. Lui e Müller hanno pubblicato i risultati ottenuti sulla rivista Nature Physics.

Nell’esperimento di gravità descritto, Panda e Müller hanno optato per un compromesso tra tempo di attesa e separazione dei pacchetti d’onda. Hanno utilizzato un tempo di attesa più breve, di 2 secondi, a fronte di una maggiore separazione dei pacchetti d’onda, che raggiungeva diversi micron, ovvero diversi millesimi di millimetro.

All’interno della camera a vuoto, durante ogni esperimento, sono presenti circa 10.000 atomi di cesio. Questi atomi sono troppo distanti per interagire direttamente tra loro e vengono quindi dispersi dal reticolo ottico in nuvole di circa 10 atomi ciascuna.

Panda ha spiegato: “La gravità cerca di spingerli verso il basso con una forza un miliardo di volte superiore all’attrazione esercitata dalla massa di tungsteno. Tuttavia, la forza di ripristino del reticolo ottico li trattiene, fungendo da scaffale virtuale. Per l’esperimento abbiamo diviso ogni atomo in due pacchetti d’onda, creando una sovrapposizione di due altezze. Successivamente, abbiamo caricato ciascun pacchetto d’onda in un sito reticolare separato, come se fosse un armadietto distinto. Al termine del mantenimento, abbiamo spento il reticolo ottico e i pacchetti d’onda si sono ricombinati. In questo modo, abbiamo potuto estrarre tutte le informazioni quantistiche acquisite durante l’esperimento”.

Panda ha in programma di costruire il proprio interferometro atomico reticolare presso l’Università dell’Arizona, dove è stato appena nominato assistente professore di fisica. Spera di usarlo, tra le altre cose, per misurare più precisamente la costante gravitazionale che collega la forza di gravità con la massa.

Nel frattempo, Müller e il suo team stanno costruendo da zero un nuovo interferometro ad atomi reticolari con un migliore controllo delle vibrazioni e una temperatura più bassa. Il nuovo dispositivo potrebbe produrre risultati 100 volte migliori dell’esperimento attuale, abbastanza sensibili da rilevare le proprietà quantistiche della gravità.

L’esperimento pianificato per rilevare l’entanglement gravitazionale, se avesse successo, sarebbe simile alla prima dimostrazione dell’entanglement quantistico dei fotoni eseguita all’UC Berkeley nel 1972 dal defunto Stuart Freedman e dall’ex borsista post-dottorato John Clauser. Clauser ha condiviso il premio Nobel per la fisica del 2022 per quel lavoro.

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