In questa fotografia si vedono raggruppamenti di circa diecimila atomi di cesio fluttuare in una camera a vuoto, levitati da fasci laser incrociati che creano un reticolo ottico stabile. In alto sono visibili un peso cilindrico di tungsteno e il suo supporto. Crediti: Cristian Panda, Uc Berkeley
Un tempo, per studiare la gravità, era sufficiente lasciar cadere qualche oggetto dall’alto, come nel caso del celebre esperimento, attribuito a Galileo, della caduta dei gravi dalla torre di Pisa. Oggi le domande di fisica fondamentale ancora senza risposta – e sono tante – attorno a questa che rimane la più irriducibile tra le forze, l’unica che ancora resiste a una teoria del tutto, richiedono esperimenti enormemente più complessi. Esperimenti come quello approntato da un team di fisici dell’Università della California, a Berkeley, riportato questa settimana sulle pagine di Nature, per la ricerca di minuscole deviazioni dalla teoria della gravità comunemente accettata. Deviazioni che, se riscontrate, potrebbero offrire indizi, per esempio, per comprendere qualcosa di più sulla natura dell’energia oscura. Sebbene i ricercatori non abbiano riscontrato alcuna deviazione dalla teoria della gravità di Newton, i miglioramenti previsti nella precisione dell’esperimento promettono di portare alla luce prove a supporto – o a smentita – di teorie come quella su un’ipotetica “quinta forza” mediata da particelle cosiddette “camaleonte”, o “simmetroni”, candidate a spiegare, appunto, l’energia oscura.
L’esperimento, realizzato sulla scia di altri analoghi dei quali già abbiamo scritto su Media Inaf, combina un interferometro atomico, che permette di misurare con precisione la gravità, con un reticolo ottico in grado di mantenere piccoli gruppi di atomi – in questo caso, gruppi da circa diecimila atomi di cesio – in posizione, raffreddandoli e intrappolandoli con un sistema di fasci laser, per tempi relativamente molto lunghi, fino a 70 secondi. Consentendo così di arrivare una misura dell’attrazione gravitazionale esercitata sugli atomi da una piccola massa – un cilindro di tungsteno – cinque volte più precisa della migliore a oggi disponibile.
Rappresentazione schematica dell’esperimento realizzato a Uc Berkeley. Piccoli raggruppamenti di atomi di cesio (in rosa) sono stati immobilizzati in una camera a vuoto verticale, poi ogni atomo è stato suddiviso in due pacchetti d’onda (in bianco e azzurro) così da ritrovarsi in una sovrapposizione quantistica di due “altezze”, la “metà” più in alto (in bianco) più vicina alla massa di tungsteno (il cilindro lucido) e l’altra “metà” (in azzurro) più in basso. Quando i pacchetti d’onda si ricombinano danno luogo a un’interferenza che consente di misurare la differenza di attrazione gravitazionale fra le due “metà”. Crediti: Cristian Panda/Uc Berkeley
Ma come funziona? «In una prima fase, gli atomi di cesio vengono raffreddati con luce laser fino a una temperatura vicina allo zero assoluto e intrappolati in “buche” luminose in prossimità di un piccolo cilindretto di tungsteno», spiega a Media Inaf uno dei coautori dello studio, Guglielmo Maria Tino dell’Università di Firenze. «Successivamente si realizza un interferometro atomico: ogni atomo viene portato per alcuni secondi in uno stato quantistico in cui si trova simultaneamente in due diverse posizioni in cui sono diversi i valori del campo gravitazionale generato dalla massa sorgente. Quando le due parti vengono di nuovo sovrapposte, si osserva un effetto di interferenza quantistica da cui si può misurare l’attrazione gravitazionale esercitata sugli atomi dalla massa di tungsteno».
«Rispetto a esperimenti precedenti basati su interferometria atomica per lo studio di effetti gravitazionali, quali quelli condotti dal mio gruppo a Firenze da ormai circa vent’anni, la particolarità di questo lavoro», continua Tino, «è nella piccola massa sorgente utilizzata, da cui la necessità di ottimizzare la sensibilità dell’interferometro atomico controllando allo stesso tempo possibili effetti sistematici».
Lo scopo principale di questi esperimenti, come dicevamo, è cercare risposta ai grandi problemi irrisolti della fisica fondamentale, dalla natura dell’energia oscura alla ricerca di una formulazione quantistica della gravità. «La maggior parte dei teorici concorda sul fatto che la gravità sia quantistica, ma nessuno ha mai osservato al riguardo una firma sperimentale», ricorda a questo proposito un altro degli autori dello studio, Holger Müller di Uc Berkeley. «Se potessimo trattenere i nostri atomi 20 o 30 volte più a lungo di quanto sia mai stato fatto, potremmo avere una probabilità da 400 a 800mila volte maggiore di trovare la prova che la gravità è effettivamente quantistica».
L’interferometro atomico a reticolo può inoltre essere usato, in veste di sensore quantistico, anche per applicazioni più “quotidiane” che richiedano misure di precisione della gravità. «L’interferometria atomica è particolarmente sensibile alla gravità o agli effetti inerziali. È possibile sfruttarla per costruire giroscopi e accelerometri», sottolinea infatti il primo autore dello studio, Cristian Panda, di Uc Berkeley. «Questo dà una nuova direzione all’interferometria atomica, dove il rilevamento quantistico della gravità, dell’accelerazione e della rotazione potrebbe essere effettuato con atomi mantenuti grazie ai reticoli ottici in una struttura compatta che resiste alle imperfezioni ambientali o al rumore».
«Tali dispositivi», conclude Tino, «potrebbero venire utilizzati, ad esempio, nella ricerca di cavità sotterranee e risorse minerarie, nel monitoraggio di vulcani attivi e nello studio dei terremoti».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Measuring gravitational attraction with a lattice atom interferometer”, di Cristian D. Panda, Matthew J. Tao, Miguel Ceja, Justin Khoury, Guglielmo M. Tino & Holger Müller