Esperimento Magia. Atomi “intrappolati” nella camera ad alto vuoto tramite la radiazione laser e utilizzati per le misure gravimetriche
La misura della costante gravitazionale G rappresenta, da oltre 200 anni, una delle maggiori sfide per i fisici sperimentali di tutto il mondo. Dal primo esperimento di Cavendish (1798), circa 300 esperimenti, basati principalmente sul principio del pendolo o sulla bilancia di torsione, hanno cercato di misurarla ottenendo però risultati divergenti che potrebbero essere influenzati dalle tecniche impiegate e dai conseguenti errori sistematici.
Ora questa sfida sembra essere vinta. È, infatti, il risultato raggiunto dall’esperimento Magia e pubblicato oggi dalla rivista scientifica Nature. Misurare, cioè, con elevata precisione la costante gravitazionale di Newton sfruttando un interferometro quantistico in cui gli atomi vengono intrappolati dalla luce laser a una temperatura vicina allo zero assoluto. Lo studio è stato realizzato da un’equipe di fisici dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (Lens), un centro di eccellenza dell’Università di Firenze.
L’esperimento Magia ha pubblicato uno studio che sfrutta una tecnica del tutto diversa da quelle sperimentate finora, chiamata interferometria atomica e fondata sulla natura doppia, corpuscolare, e ondulatoria di tutti i costituenti della materia, compresi gli atomi. L’obiettivo è misurare con una sonda quantistica l’accelerazione dovuta al campo gravitazionale generato da una massa nota. La legge di Newton, infatti, descrive coerentemente i fenomeni “macroscopici” come il moto dei pianeti attorno al Sole ma potrebbe non valere più a livello quantistico come suggeriscono le teorie sulle extra-dimensioni.
Nell’esperimento una nuvola di atomi di rubidio è stata lanciata verticalmente nel vuoto e raffreddata con una luce laser per rallentare e “intrappolare” gli atomi, portandoli da una velocità di alcuni km/s, tipica di un gas a temperatura ambiente, a una velocità di pochi mm/s, tipica di un gas a una temperatura vicina allo zero assoluto. A velocità così ridotte è, infatti, possibile trattare gli atomi come onde. A pochi cm dagli atomi è stata posta una massa di circa 500 kg di tungsteno al fine di misurare la variazione dell’accelerazione degli atomi di rubidio che questa massa genera.
foto degli atomi raffreddati e intrappolati in una trappola magneto-ottica in un esperimento.
“A queste temperature gli atomi possono essere trattati come onde, suddividendoli e ricombinandoli, in un interferometro,– spiega Guglielmo Tino, ricercatore dell’INFN e ordinario di Fisica della materia presso l’Università di Firenze, tra gli autori dello studio – Il risultato varia a seconda delle forze (esercitate da altre masse) che interferiscono nel percorso degli atomi. Abbiamo osservato una variazione dell’accelerazione degli atomi di circa dieci milioni di volte più piccola dell’accelerazione di gravità terrestre – prosegue Tino – Nonostante l’effetto sia minimo, l’interferometro atomico ha rivelato l’effetto sulle particelle in funzione della posizione delle masse. Da questa misura si è potuti risalire al valore di G”.
Un valore che, fatto salvo le dovute e future contro verifiche, a un livello di approssimazione di solo lo 0,015%.
È interessare notare che quest’anno in cui ricorrono 450 anni dalla nascita di Galileo Galilei, la misura di G è stata realizzata a Firenze lasciando cadere gli atomi nel vuoto in maniera analoga a quanto descritto da Galilei per mostrare che oggetti diversi lanciati dalla torre di Pisa cadono allo stesso modo.