Gli scienziati sono impegnati in esperimenti all’avanguardia che utilizzano ioni intrappolati per cercare segnali di una particella finora sconosciuta. Questa ricerca ambiziosa mira a svelare il mistero della materia oscura, una delle incognite più affascinanti e complesse della fisica contemporanea.
La ricerca della materia oscura: gli ioni intrappolati svelano nuove particelle
Il Modello Standard della fisica delle particelle rappresenta la nostra migliore descrizione attuale dei componenti fondamentali della materia visibile e delle forze che ne governano le interazioni. È un quadro eccezionalmente preciso che spiega tutto ciò che ci circonda, dagli atomi alle stelle. Tuttavia, come ha sottolineato Diana Prado Lopes Aude Craik, Professoressa di Fisica al Politecnico Federale di Zurigo, “il Modello Standard è attualmente la migliore spiegazione dell’Universo, ma sappiamo che non può spiegare tutto“. La materia oscura ne è un esempio lampante, rappresentando “uno dei più grandi misteri della fisica odierna”.
Le osservazioni astronomiche mostrano chiaramente che la materia visibile non è sufficiente a spiegare la rotazione delle galassie, suggerendo che gran parte della massa dell’Universo sia costituita da una forma di materia sconosciuta. Questo ha spinto i fisici a esplorare teorie che vadano oltre i confini del Modello Standard.
Tra le principali idee emerse vi sono le teorie che propongono l’esistenza di una nuova, quinta forza della natura. Questa forza si affiancherebbe alle quattro già note: la gravità, l’elettromagnetismo, la forza nucleare forte e la forza nucleare debole. Una possibilità intrigante è che questa forza sconosciuta agisca tra i neutroni nel nucleo atomico e gli elettroni nella nube elettronica circostante.
Questa ipotetica forza potrebbe essere mediata da una nuova particella, in modo analogo a come i fotoni sono responsabili del trasporto della forza elettromagnetica. La scoperta di tale particella rivoluzionerebbe la nostra comprensione dell’Universo e potrebbe finalmente illuminare la natura della materia oscura.
La precisione dell’atomo: un nuovo approccio alla fisica delle particelle
I ricercatori hanno tradizionalmente impiegato acceleratori di particelle, come quelli al CERN di Ginevra, per la ricerca di nuove particelle che vanno oltre il Modello Standard. Tuttavia, Diana Prado Lopes Aude Craik e i suoi colleghi del gruppo del Professor Jonathan Home, presso l’Istituto di Elettronica Quantistica dell’ETH, stanno esplorando una strada alternativa e innovativa.
“Come fisici atomici, siamo in grado di misurare l’atomo con una precisione estremamente elevata”, ha spiegato Aude Craik: “L’idea è quindi quella di cercare questa nuova forza tra il neutrone e l’elettrone utilizzando la spettroscopia atomica di precisione“. Questo approccio collaborativo vede il team di Zurigo lavorare a stretto contatto con gruppi di ricerca in Germania e Australia, unendo competenze diverse per affrontare una delle questioni più complesse della fisica moderna.
Luca Huber, dottorando del team di ricerca, spiega il principio chiave della loro metodologia: “Se questa forza esiste davvero nell’atomo, allora la sua intensità è proporzionale al numero di neutroni nel nucleo atomico“. Per questo motivo, stanno conducendo esperimenti con gli isotopi per rilevare questa forza ipotetica. Gli isotopi sono varianti dello stesso elemento chimico che si differenziano unicamente per il numero di neutroni nel loro nucleo atomico. Mantenendo lo stesso numero di protoni ed elettroni, gli isotopi sono chimicamente identici ma possiedono masse diverse.
Di conseguenza, la forza totale sperimentata dagli elettroni nei diversi isotopi dovrebbe variare leggermente, proprio a causa della differenza nel numero di neutroni. Questo minuscolo scarto può essere misurato esaminando i livelli energetici degli elettroni all’interno dell’atomo. Nello specifico, i ricercatori prevedono che questa nuova forza causerà lievi variazioni nei livelli energetici tra i diversi isotopi. Per rilevare questi sottili spostamenti di energia, come spiega Aude Craik, misurano la “frequenza della luce emessa quando i nostri isotopi transitano tra due livelli di energia”. Questo approccio promette di aprire nuove finestre sulla fisica fondamentale e, forse, di avvicinarci alla comprensione della natura della materia oscura.
La strategia della doppia trappola e la collaborazione internazionale
Per realizzare misurazioni così precise, i ricercatori hanno impiegato una trappola ionica, uno strumento che utilizza campi elettromagnetici per confinare un singolo isotopo carico, il quale viene poi eccitato a uno stato energetico superiore da un laser. Nello specifico, gli esperimenti hanno coinvolto cinque isotopi stabili di calcio a carica singola, tutti con 20 protoni ma con un numero di neutroni variabile da 20 a 28. In laboratorio, il team è riuscito a determinare le variazioni nei livelli energetici di questi isotopi con una precisione sorprendente di 100 millihertz, un risultato cento volte superiore alle migliori misurazioni precedenti. Ma come hanno raggiunto tale accuratezza?
Luca Huber ha rivelato il segreto dietro questa straordinaria precisione: “Abbiamo intrappolato due isotopi contemporaneamente nella trappola ionica e li abbiamo misurati insieme“. Questo approccio ha permesso di ridurre drasticamente il rumore di interferenza durante la misurazione della frequenza, un fattore cruciale per ottenere risultati così raffinati.
Nonostante questa precisione, la ricerca di una nuova fisica richiedeva ulteriori esperimenti e prospettive complementari. Mentre il team di Zurigo si concentrava sugli isotopi di calcio a carica singola, un altro gruppo di ricerca, guidato da Piet Schmidt presso il Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) di Braunschweig, ha utilizzato gli stessi isotopi ma in uno stato a carica multipla. Il gruppo tedesco ha misurato una transizione diversa in questi ioni calcio altamente carichi con una precisione simile a quella del team di Zurigo. Un terzo contributo fondamentale è arrivato da Klaus Blaum del Max Planck Institute for Nuclear Physics di Heidelberg, che ha misurato con estrema precisione i rapporti delle masse nucleari tra questi isotopi.
Per interpretare correttamente i risultati combinati, altri team di ricerca in Germania e Australia hanno effettuato calcoli di alta precisione. I loro risultati hanno rivelato che gli effetti nucleari ben compresi riescono a spiegare solo una parte della deviazione osservata. Un’altra potenziale causa è la polarizzazione nucleare, una deformazione del nucleo atomico indotta dagli elettroni, finora poco studiata. Il suo complesso calcolo indica che la polarizzazione nucleare potrebbe essere sufficientemente ampia da giustificare la non linearità misurata, pur rimanendo all’interno dei limiti del Modello Standard.
“Non possiamo affermare di aver scoperto qui una nuova fisica“, ha sottolineato Diana Prado Lopes Aude Craik: “Tuttavia, sappiamo quanto intensa può essere al massimo la nuova forza, perché altrimenti l’avremmo osservata nelle nostre misurazioni, anche con le incertezze“. Questa conclusione permette ai ricercatori di stabilire limiti precisi sui possibili valori di massa e carica dell’ipotetica particella che veicolerebbe questa nuova forza.
I ricercatori sono ora impegnati a migliorare ulteriormente l’accuratezza dei loro risultati. “Stiamo attualmente misurando una terza transizione energetica negli isotopi del calcio“, ha affermato Huber, “e lo stiamo facendo con una precisione ancora maggiore di prima“. L’obiettivo è quello di espandere il diagramma di King da due dimensioni a un modello tridimensionale. “Speriamo che questo ci aiuti a superare le problematiche teoriche e a compiere ulteriori progressi nella ricerca di questa nuova forza”, ha concluso Aude Craik, segnando un passo fondamentale verso una comprensione più profonda dei misteri dell’Universo.
Lo studio è stato pubblicato su Physical Review Letters.
