Un nuovo esperimento sfida l’elettrodinamica quantistica

Un team di scienziati dell’HZDR effettuerà un esperimento volto a indagare i confini della fisica.

Assolutamente vuoto: è così che la maggior parte di noi immagina il vuoto. Eppure, in realtà, è pervaso da un tremolio energetico: le fluttuazioni quantistiche. Gli scienziati si stanno attualmente preparando per un esperimento laser destinato a verificare queste fluttuazioni del vuoto in un modo nuovo, che potrebbe potenzialmente fornire indizi su nuove leggi della fisica.

Un gruppo di ricerca dell’Helmholtz -Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) ha sviluppato una serie di proposte progettate per aiutare a condurre l’esperimento in modo più efficace, aumentando così le possibilità di successo.

Il team presenterà i suoi risultati sulla rivista scientifica Physical Review D.

Il mondo della fisica è da tempo consapevole che il vuoto non è del tutto vuoto ma è pieno di fluttuazioni del vuoto – un minaccioso tremolio quantistico nel tempo e nello spazio. Anche se non può essere catturato direttamente, la sua influenza può essere osservata indirettamente, ad esempio, attraverso i cambiamenti nei campi elettromagnetici di minuscole particelle.

Tuttavia, non è stato ancora possibile verificare le fluttuazioni del vuoto senza la presenza di particelle. Se ciò potesse essere realizzato, una delle teorie fondamentali della fisica, vale a dire l’elettrodinamica quantistica (QED), verrebbe dimostrata in un campo finora non testato. Se un simile esperimento dovesse rivelare deviazioni dalla teoria, tuttavia, suggerirebbe l’esistenza di nuove particelle precedentemente sconosciute.

L’esperimento

L’esperimento destinato a raggiungere questo obiettivo è previsto nell’ambito dell’Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), un consorzio di ricerca guidato dall’HZDR presso la stazione sperimentale HED dell’XFEL europeo ad Amburgo, il più grande laser a raggi X del mondo.

Il principio di base è che un laser ultrapotente emetta brevi e intensi lampi di luce in una camera di acciaio inossidabile evacuata. Lo scopo è manipolare le fluttuazioni del vuoto in modo che cambino la polarizzazione di un lampo di raggi X proveniente dall’XFEL europeo, cioè ruotino la sua direzione di oscillazione.

“Sarebbe come far scorrere un righello di plastica trasparente tra due filtri polarizzatori e piegarlo avanti e indietro”, ha spiegato il teorico dell’HZDR Prof. Ralf Schützhold. “I filtri sono originariamente impostati in modo tale che la luce non li attraversi. Piegando il righello si cambierebbe ora la direzione dell’oscillazione della luce in modo tale che si possa vedere qualcosa”. In questa analogia, il righello corrisponde alle fluttuazioni del vuoto mentre il potentissimo flash laser le piega.

Due flash invece di uno solo

Il concetto originale prevedeva l’inserimento di un solo flash laser ottico nella camera e l’utilizzo di tecniche di misurazione specializzate per registrare se cambia la polarizzazione del flash a raggi X. Ma c’è un problema: “Il segnale potrebbe essere estremamente debole”, ha spiegato Schützhold. “È possibile che solo uno su un trilione di fotoni di raggi X cambi la sua polarizzazione”.

Ma questo potrebbe essere inferiore al limite di misurazione attuale: l’evento potrebbe semplicemente passare inosservato senza essere rilevato. Schützhold e il suo team puntano quindi su una variante: invece di uno solo, intendono sparare contemporaneamente due impulsi laser ottici nella camera evacuata.

Entrambi i flash colpiranno e si scontreranno letteralmente. L’impulso di raggi X dell’XFEL europeo è destinato a colpire esattamente il punto di collisione. Il fattore decisivo: i lampi laser che si scontrano agiscono sull’impulso dei raggi X come una sorta di cristallo. Proprio come i raggi X vengono diffratti, cioè deviati, quando attraversano un cristallo naturale, anche l’impulso dei raggi X XFEL dovrebbe essere deviato dal “cristallo di luce” brevemente esistente dei due lampi laser in collisione.

“Ciò non solo cambierebbe la polarizzazione dell’impulso di raggi X, ma allo stesso tempo lo devierebbe leggermente”, ha affermato Ralf Schützhold. Questa combinazione potrebbe aumentare le possibilità di riuscire effettivamente a misurare l’effetto, così sperano i ricercatori. Il team ha calcolato diverse opzioni per l’angolo di impatto dei due lampi laser che si scontrano nella camera. Gli esperimenti mostreranno quale variante si rivelerà più adatta.

Mirare a particelle fantasma ultraleggere?

Le prospettive potrebbero addirittura essere ulteriormente migliorate se i due lampi laser sparati nella camera non fossero dello stesso colore ma di due lunghezze d’onda diverse. ciò consentirebbe anche una leggera variazione dell’energia del flash di raggi X, il che aiuterebbe anche a misurare l’effetto. “Ma questo è tecnicamente piuttosto impegnativo e potrà essere implementato solo in un secondo momento”, ha detto Schützhold.

Il progetto è attualmente in fase di pianificazione ad Amburgo insieme al team europeo XFEL presso la stazione sperimentale HED, e il lancio dei primi test è previsto per il 2024. In caso di successo, potrebbero confermare ancora una volta la QED.

Ma forse gli esperimenti riveleranno deviazioni dalla teoria consolidata. Ciò potrebbe essere dovuto a particelle precedentemente sconosciute, ad esempio particelle fantasma ultraleggere note come assioni. “E questo”, ha dichiarato Schützhold, “sarebbe una chiara indicazione di ulteriori leggi della natura precedentemente sconosciute”.

Fonte: Physical Review D