Ioni molecolari HD+ (coppie di punti gialli e rossi: protone e deutone; l’elettrone non è mostrato) sospesi in un ultra-alto vuoto tra ioni atomici (punti blu), che vengono immobilizzati usando un raggio laser (blu). Un’onda elettromagnetica (dischi rosso-marroni) fanno ruotare gli ioni molecolari. Un ulteriore raggio laser (verde) registra le prove di questa eccitazione. Il disegno non è in scala. Crediti: Hhu / Alighanbari, Hansen, Schille
Sembra ormai assodato che l’universo sia costituito principalmente da una sostanza e una forma di energia ancora sconosciute e non visibili direttamente, né a occhio nudo né attraverso telescopi, che proprio per questi motivi – perché sono ignote e perché non si vedono – vengono chiamate materia oscura ed energia oscura. Gli astronomi però sono piuttosto sicuri che esistano perché ne hanno le prove! Certo, sono prove indirette, dedotte osservando la forma delle galassie e studiando le dinamiche dell’universo… ma sono pur sempre prove. In particolare, la materia oscura interagisce con la materia “normale” tramite la forza gravitazionale, ed è responsabile anche delle strutture cosmiche composte di materia normale e visibile.
Non è ancora noto se la materia oscura interagisca anche con sé stessa o con la materia normale attraverso le altre tre forze fondamentali – la forza elettromagnetica, la forza nucleare debole e la forza forte – o addirittura qualche altra forza aggiuntiva. Persino esperimenti molto sofisticati non sono stati finora in grado di rilevare tale interazione. Ciò significa che, se esiste, deve essere molto debole.
Per far luce su questo argomento, gli scienziati di tutto il mondo stanno conducendo vari esperimenti in cui l’azione delle forze fondamentali, diverse dalla gravitazione, ha luogo con il minor numero possibile di interferenze esterne e pertanto potrebbe essere misurata con precisione. Eventuali comportamenti anomali, intesi come deviazioni dagli effetti previsti, possono indicare l’influenza della materia oscura o dell’energia oscura. Alcuni di questi esperimenti vengono condotti utilizzando enormi dispositivi come quelli che si trovano al Cern, l’Organizzazione europea per la ricerca nucleare che si trova a Ginevra. Altri si riescono a fare anche in laboratori di ricerca più comuni, come ad esempio a Düsseldorf, progettati per raggiungere la massima precisione.
Il gruppo di ricerca che lavora sotto la guida di Stephan Schiller dell’Istituto di fisica sperimentale della Heinrich-Heine University di Düsseldorf, ha presentato sulla rivista Nature i risultati di un esperimento estremamente preciso svolto per misurare la forza elettrica tra il protone e il deutone. Il protone è il nucleo dell’atomo di idrogeno, il deutone è il nucleo del deuterio, costituito da un protone e un neutrone legati insieme.
I fisici di Düsseldorf studiano un oggetto insolito, chiamato HD+, lo ione della molecola di idrogeno parzialmente deuterata. In questo ione manca uno dei due elettroni normalmente contenuti nel guscio elettronico. Pertanto, HD+ è costituito da un protone e un deutone legati insieme da un solo elettrone, che compensa la forza repulsiva elettrica tra loro. Ne risulta una distanza particolare tra il protone e il deutone, indicata come lunghezza di legame. Per determinare questa distanza, i fisici della Hhu hanno misurato la velocità di rotazione della molecola con una precisione di undici cifre usando una tecnica di spettroscopia sviluppata recentemente, nonché nozioni rilevanti anche nel campo della tecnologia quantistica, come ad esempio trappole di particelle e laser cooling.
È estremamente complicato derivare la lunghezza di legame dai risultati spettroscopici, e quindi dedurre l’intensità della forza esercitata tra il protone e il deutone. Questo perché questa forza ha proprietà quantistiche. Occorre necessariamente usare la teoria dell’elettrodinamica quantistica proposta negli anni ’40. Un membro del gruppo ha impiegato ben due decenni per mettere a punto complessi calcoli grazie ai quali, recentemente, è stato in grado di prevedere la lunghezza di legame con sufficiente precisione. La sua previsione corrisponde al risultato della misurazione.
Dall’accordo tra teoria e misurazione si può dedurre la massima intensità di una eventuale modifica della forza tra un protone e un deutone causata dalla materia oscura. Il professore commenta così l’importante risultato: «La mia squadra ha ora abbassato questo limite superiore di oltre 20 volte. Abbiamo dimostrato che la materia oscura interagisce molto meno con la materia normale di quanto precedentemente ritenuto possibile. Questa misteriosa forma di materia continua a rimanere in incognito, almeno in laboratorio».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Precise test of quantum electrodynamics and determination of fundamental constants with HD+ ions” di S. Alighanbari, G. S. Giri, F. L. Constantin, V. I. Korobov e S. Schiller