L’esperimento cattura gli atomi in caduta libera per cercare anomalie gravitazionali causate dall’energia mancante dell’universo.
L’energia oscura – una forza misteriosa che spinge l’universo a un ritmo sempre crescente – è stata scoperta 26 anni fa e da allora gli scienziati sono stati alla ricerca di una nuova particella esotica che causa l’espansione.
Spingendo i confini di questa ricerca, i fisici dell’Università della California, Berkeley, hanno ora costruito l’esperimento più preciso finora per cercare piccole deviazioni dalla teoria accettata della gravità che potrebbero essere la prova di una tale particella, che i teorici hanno soprannominato camaleonte o simmetrone.
L’esperimento, che combina un interferometro atomico per misurazioni precise della gravità con un reticolo ottico per mantenere gli atomi in posizione, ha permesso ai ricercatori di immobilizzare gli atomi in caduta libera per secondi invece che per millisecondi per cercare effetti gravitazionali, superando l’attuale misurazione più precisa di un fattore cinque.
Sebbene i ricercatori non abbiano trovato alcuna deviazione da quanto previsto dalla teoria enunciata 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 a reticolo di mantenere gli atomi fino a 70 secondi – e potenzialmente 10 volte più a lungo – apre anche la possibilità di sondare la gravità a livello quantistico, ha detto 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 – la natura quantistica della gravità non è mai stata dimostrata.
“La maggior parte dei teorici probabilmente concorda sul fatto che la gravità è quantistica. Ma nessuno ha mai visto una firma sperimentale di questo”, ha detto Müller.
“È molto difficile anche solo sapere se la gravità è quantistica, ma se potessimo mantenere i nostri atomi 20 o 30 volte più a lungo di chiunque altro, perché la nostra sensibilità aumenta con la seconda o la quarta potenza del tempo di mantenimento, potremmo avere da 400 a 800.000 volte più possibilità di trovare la prova sperimentale che la gravità è davvero meccanica quantistica”.
Oltre alle misurazioni di precisione della gravità, altre applicazioni dell’interferometro a reticolo includono il rilevamento quantistico.
“L’interferometria atomica è particolarmente sensibile alla gravità o agli effetti inerziali. Si possono costruire giroscopi e accelerometri”, ha detto Cristian Panda, borsista post-dottorato dell’UC Berkeley, che è il primo autore di un articolo sulle misurazioni della gravità che sarà pubblicato questa settimana sulla rivista Nature ed è co-autore di Müller.
“Ma questo dà una nuova direzione nell’interferometria atomica, in cui il rilevamento quantistico della gravità, dell’accelerazione e della rotazione potrebbe essere fatto con atomi tenuti in reticoli ottici in un pacchetto compatto che è resistente alle imperfezioni ambientali o al rumore”.
Poiché il reticolo ottico tiene gli atomi rigidamente in posizione, l’interferometro a reticolo potrebbe funzionare anche in mare, dove vengono impiegate misure di gravità sensibili per mappare la geologia del fondo oceanico.
L’energia oscura è stata scoperta nel 1998 da due team di scienziati: un gruppo di fisici del Lawrence Berkeley National Laboratory, guidati da Saul Perlmutter, ora professore di fisica alla UC Berkeley, e un gruppo di astronomi che includeva Adam Riess, borsista post-dottorato della UC Berkeley. I due hanno condiviso il premio Nobel per la fisica nel 2011 per la scoperta.
La consapevolezza che l’universo si stava espandendo più rapidamente di quanto avrebbe dovuto è arrivata dal monitoraggio di supernove lontane e dal loro utilizzo per misurare le distanze cosmiche.
Nonostante le molte speculazioni dei teorici su ciò che sta effettivamente allontanando lo spazio, l’energia oscura rimane un enigma – un grande enigma, dal momento che circa il 70% dell’intera materia ed energia dell’universo è sotto forma di energia oscura.
Una teoria è che l’energia oscura sia semplicemente l’energia del vuoto dello spazio. Un’altra è che si tratta di un campo energetico chiamato quintessenza, che varia nel tempo e nello spazio.
Un’altra ipotesi è che l’energia oscura sia una quinta forza molto più debole della gravità e mediata da una particella che esercita una forza repulsiva che varia con la densità della materia circostante.
Nel vuoto dello spazio, eserciterebbe una forza repulsiva su lunghe distanze, in grado di allontanare lo spazio. In un laboratorio sulla Terra, con la materia tutt’intorno a schermarla, la particella avrebbe una portata estremamente piccola.
Questa particella è stata soprannominata camaleonte, come se si nascondesse in bella vista.
Nel 2015, Müller ha adattato un interferometro atomico per cercare prove di camaleonti che utilizzano atomi di cesio lanciati in una camera a vuoto, che imita il vuoto dello spazio.
Durante i 10-20 millisecondi che gli atomi hanno impiegato per salire e scendere sopra una pesante sfera di alluminio, lui e il suo team non hanno rilevato alcuna deviazione da ciò che ci si aspetterebbe dalla normale attrazione gravitazionale della sfera e della Terra.
La chiave per usare gli atomi in caduta libera per testare la gravità è la capacità di eccitare ogni 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 la testa.
Lo stato di quantità di moto più elevato e di elevazione maggiore subisce una maggiore attrazione gravitazionale verso il 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 di attrazione gravitazionale tra di loro.
“L’interferometria atomica è l’arte e la scienza di utilizzare le proprietà quantistiche di una particella, cioè il fatto che sia sia una particella che un’onda. Dividiamo l’onda in modo che la particella prenda due percorsi contemporaneamente e poi li interferiamo alla fine”, ha detto Müller. “Le onde possono essere in fase e sommarsi, oppure le onde possono essere sfasate e annullarsi a vicenda. Il trucco è che il fatto che siano in fase o fuori fase dipende in modo molto sensibile da alcune grandezze che si potrebbero 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 luoghi stabili in cui gli atomi si riuniscono, levitando nel vuoto. Ma 20 secondi erano il limite, si chiedeva?
Durante l’apice della pandemia di COVID-19, Panda ha lavorato instancabilmente per prolungare il tempo di attesa, fissando sistematicamente un elenco di 40 possibili ostacoli fino a stabilire che l’inclinazione ondulata del raggio laser, causata dalle vibrazioni, era una delle principali limitazioni. Stabilizzando il fascio all’interno di una camera di risonanza e modificando la temperatura per renderla un po’ più fredda – in questo caso meno di un milionesimo di Kelvin sopra lo zero assoluto, o un miliardo di volte più fredda della temperatura ambiente – è stato in grado di estendere il tempo di mantenimento a 70 secondi.
Lui e Müller hanno pubblicato questi risultati nel numero dell’11 giugno 2024 di Nature Physics.
Nell’esperimento di gravità appena riportato, Panda e Müller hanno scambiato un tempo più breve, 2 secondi, per una maggiore separazione dei pacchetti d’onda a diversi micron, o diversi millesimi di millimetro.
Ci sono circa 10.000 atomi di cesio nella camera a vuoto per ogni esperimento, troppo sparsi per interagire tra loro, dispersi dal reticolo ottico in nuvole di circa 10 atomi ciascuna.
“La gravità sta cercando di spingerli verso il basso con una forza un miliardo di volte più forte della loro attrazione per la massa di tungsteno, ma c’è la forza di ripristino del reticolo ottico che li trattiene, un po’ come uno scaffale”, ha detto Panda.
“Poi prendiamo ogni atomo e lo dividiamo in due pacchetti d’onda, quindi ora è in una sovrapposizione di due altezze. E poi prendiamo ognuno di questi due pacchetti wave e li carichiamo in un sito reticolare separato, uno scaffale separato, in modo che sembri un armadio. Quando spegniamo il reticolo, i pacchetti d’onda si ricombinano e tutte le informazioni quantistiche che sono state acquisite durante la sospensione possono essere lette”.
Panda ha in programma di costruire il proprio interferometro a reticolo atomico presso l’Università dell’Arizona, dove è stato appena nominato assistente professore di fisica. Spera di usarlo, tra le altre cose, per misurare in modo più preciso la costante gravitazionale che lega la forza di gravità con la massa.
Nel frattempo, Müller e il suo team stanno costruendo da zero un nuovo interferometro atomico reticolare con un migliore controllo delle vibrazioni e una temperatura più bassa. Il nuovo dispositivo potrebbe produrre risultati 100 volte migliori rispetto all’esperimento attuale, abbastanza sensibile da rilevare le proprietà quantistiche della gravità.
L’esperimento pianificato per rilevare l’entanglement gravitazionale, se avesse successo, sarebbe simile alla prima dimostrazione di entanglement quantistico di fotoni eseguita alla UC Berkeley nel 1972 dal compianto Stuart Freedman e dall’ex borsista post-dottorato John Clauser. Clauser ha condiviso il Premio Nobel per la Fisica 2022 per quel lavoro.
Altri co-autori dell’articolo sono il dottorando Matthew Tao e l’ex studente universitario Miguel Ceja della UC Berkeley, Justin Khoury dell’Università della Pennsylvania a Filadelfia e Guglielmo Tino dell’Università di Firenze in Italia. Il lavoro è supportato dalla National Science Foundation (1708160, 2208029), dall’Office of Naval Research (N00014-20-1-2656) e dal Jet Propulsion Laboratory (1659506, 1669913).
Immagine: Per gentile concessione del laboratorio Holger Müller
