L'accuratezza del loro insolito set-up sperimentale supera in modo significativo quella degli esperimenti precedenti. Può essere utilizzato anche per verificare le ipotesi sull'energia oscura.
Manca la prova sperimentale della natura quantistica della gravità
"La maggior parte dei teorici probabilmente concorda sul fatto che la gravità sia quantistica. Ma nessuno ha mai visto una prova sperimentale di questo", afferma Müller. "Ma poiché la sensibilità del nostro esperimento aumenta esponenzialmente con il tempo di permanenza degli atomi, abbiamo maggiori possibilità di trovare una prova sperimentale".
L'interferometria atomica è l'arte di utilizzare le proprietà quantistiche di una particella, cioè il fatto che si comporta sia come una particella che come un'onda.
Holger Müller, fisico
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Immagine di copertina: Cristian Panda / UC Berkeley (dettaglio) L'impostazione sperimentale (diagramma schematico) può essere utilizzata per misurare effetti gravitazionali molto sottili perché ogni atomo può essere collocato in una sovrapposizione spaziale di due stati fisici quantistici.
È discutibile se Isaac Newton si sia davvero fatto cadere una mela in testa e abbia così elaborato la teoria della gravità. Ciò che è indiscutibile, tuttavia, è che intorno al 1665 si rese conto che gli oggetti si attraggono. Nel frattempo, il fenomeno della gravità è ben noto e le relative teorie sono state ben studiate. Tuttavia, sebbene la gravità sia la forza predominante in natura su grandi scale, è difficile da misurare sperimentalmente. Molte domande rimangono senza risposta, come ad esempio il suo comportamento su piccole scale o il ruolo che svolge negli effetti attribuiti alla materia oscura e all'energia oscura. I fisici dell'Università della California a Berkeley hanno ora messo a punto l'esperimento più preciso finora realizzato per cercare piccole deviazioni dalla teoria della gravità riconosciuta. Lo riportano sulla rivista scientifica "Nature".
Per l'esperimento, il team di ricerca ha combinato un interferometro atomico con un reticolo ottico. L'interferometro atomico è uno speciale dispositivo di misurazione che utilizza le proprietà ondulatorie degli atomi per determinare la costante gravitazionale con elevata precisione. Un reticolo ottico è una struttura spazialmente periodica costituita da due fasci laser incrociati in cui possono essere intrappolati atomi o molecole. La luce laser genera un momento di dipolo elettrico in ciascuno degli atomi, facendo sì che l'atomo subisca una forza dalla radiazione elettromagnetica. La combinazione di interferometro atomico e reticolo ottico permette ai ricercatori di catturare gli atomi di cesio per diversi secondi invece che per millisecondi. In questo modo è possibile analizzare gli effetti gravitazionali in modo ancora migliore rispetto al passato, con un fattore da tre a cinque, scrive il team.
Tuttavia, sebbene inizialmente non siano riusciti a trovare alcuna deviazione dalle previsioni della teoria avanzata da Isaac Newton 400 anni fa, la precisione notevolmente migliorata potrebbe aiutare a indagare la forza di gravità a livello quantistico, dice Holger Müller, professore di fisica presso la UC Berkeley, secondo un comunicato stampa della sua università. Mentre i fisici hanno già buone prove della natura quantistica di tre delle quattro forze della natura - elettromagnetismo e interazioni forti e deboli - la natura quantistica della forza gravitazionale non è ancora stata dimostrata.
E il team di ricerca ha un'altra speranza: vuole usare il suo esperimento per rintracciare l'energia oscura, la misteriosa forza che sta facendo espandere l'universo sempre più velocemente. La consapevolezza che l'universo si sta espandendo ad un ritmo accelerato è nata più di 25 anni fa dall'osservazione delle supernove, che si allontanano tutte da noi - e ad un ritmo sempre maggiore. Una delle tante proposte per spiegare questa osservazione è che l'energia oscura sia una quinta forza fondamentale repulsiva, molto più debole della gravità e mediata da un'ipotetica particella chiamata "camaleonte". Nel vuoto dello spazio, questa particella potrebbe allontanare lo spazio. In un laboratorio sulla Terra, invece, dove è schermata dalla materia, avrebbe un raggio d'azione estremamente ridotto. Tuttavia, questa particella non è ancora stata scoperta.
La configurazione sperimentale può essere utilizzata per misurare effetti gravitazionali molto sottili perché ogni atomo può essere collocato in una sovrapposizione spaziale di due stati fisici quantistici. Ciò significa che i singoli atomi si trovano, per così dire, in due luoghi allo stesso tempo. Se vengono avvicinati a un peso di tungsteno, lo stato più vicino al peso subisce una forza attrattiva più forte, che cambia la fase dell'atomo. Non appena la funzione d'onda dell'atomo collassa, la differenza di fase mostra la differenza di attrazione gravitazionale tra i due. Questo permette di risolvere anche le più piccole discrepanze, che andrebbero perse in altre misurazioni.
"L'interferometria atomica è l'arte di utilizzare le proprietà quantistiche di una particella, cioè il fatto che si comporta sia come una particella che come un'onda. Dividiamo l'onda in modo che la particella percorra due percorsi simultaneamente e poi li sovrapponiamo di nuovo alla fine", spiega Müller. "Le onde possono essere in fase e sommarsi, oppure possono essere sfasate e annullarsi a vicenda. Il trucco sta nel fatto che la fase dipende in modo molto sensibile da alcune delle variabili che si vogliono misurare, come l'accelerazione, la gravità, la rotazione o le costanti fondamentali".
Se le particelle camaleonte previste esistono, allora si manifesteranno nel modo in cui gli atomi sono attratti dal peso di tungsteno. Dovrebbero quindi verificarsi piccole deviazioni dalle consuete teorie sulla gravità. Poiché gli sperimentatori non sono riusciti a riconoscere alcuna deviazione di questo tipo, sono stati in grado di limitare in modo significativo l'intervallo di energia in cui è possibile cercare le particelle camaleonte. Nel frattempo, i fisici stanno già lavorando per migliorare ulteriormente l'interferometro atomico a reticolo per renderlo abbastanza sensibile da rilevare le proprietà quantistiche della gravità e rispondere così a una delle domande più pressanti del settore.
