Il team dell’Università di Copenaghen contribuisce a un esperimento su larga scala in Antartide che cerca di scoprire se la gravità esiste anche a livello quantistico; Una particella straordinaria in grado di viaggiare indisturbata nello spazio sembra contenere la risposta.

 

 

 

Diverse migliaia di sensori distribuiti su un chilometro quadrato vicino al Polo Sud hanno il compito di rispondere a una delle grandi domande in sospeso in fisica: esiste la gravità quantistica?

I sensori monitorano i neutrini – particelle prive di carica elettrica e quasi prive di massa – che arrivano sulla Terra dallo spazio.

Un team del Niels Bohr Institute (NBI) dell’Università di Copenaghen ha contribuito a sviluppare il metodo che sfrutta i dati dei neutrini per rivelare se esiste la gravità quantistica.

“Se, come crediamo, la gravità quantistica esiste davvero, questo contribuirà a unire gli attuali due mondi della fisica. Oggi, la fisica classica descrive i fenomeni nel nostro ambiente normale come la gravità, mentre il mondo atomico può essere descritto solo usando la meccanica quantistica. L’unificazione della teoria quantistica e della gravitazione rimane una delle sfide più importanti della fisica fondamentale. Sarebbe molto soddisfacente se potessimo contribuire a questo scopo”, afferma Tom Stuttard, Assistant Professor presso l’NBI.

Tom Stuttard è co-autore di un articolo scientifico pubblicato dalla prestigiosa rivista Nature Physics.

L’articolo presenta i risultati di un ampio studio condotto dal team NBI e dai colleghi americani. Sono stati studiati più di 300.000 neutrini.

Tuttavia, non si tratta di neutrini del tipo più interessante provenienti da sorgenti nello spazio profondo.

I neutrini in questo studio sono stati creati nell’atmosfera terrestre, quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio si sono scontrate con l’azoto o altre molecole.

“Osservare i neutrini provenienti dall’atmosfera terrestre ha il vantaggio pratico che sono di gran lunga più comuni dei loro fratelli provenienti dallo spazio. Avevamo bisogno di dati provenienti da molti neutrini per convalidare la nostra metodologia. Questo è stato fatto ora. Quindi, siamo pronti per entrare nella fase successiva in cui studieremo i neutrini dallo spazio profondo”, afferma Tom Stuttard.

Viaggiare indisturbati attraverso la Terra

L’IceCube Neutrino Observatory si trova vicino alla stazione Amundsen-Scott South Pole in Antartide. A differenza della maggior parte delle altre strutture astronomiche e astrofisiche, IceCube funziona al meglio per osservare lo spazio sul lato opposto della Terra, ovvero l’emisfero settentrionale.

Questo perché mentre il neutrino è perfettamente in grado di penetrare il nostro pianeta – e anche il suo nucleo caldo e denso – altre particelle verranno fermate, e il segnale è quindi molto più pulito per i neutrini provenienti dall’emisfero settentrionale.

La struttura IceCube è gestita dall’Università del Wisconsin-Madison, USA. Più di 300 scienziati provenienti da paesi di tutto il mondo sono impegnati nella collaborazione IceCube.

L’Università di Copenaghen è una delle oltre 50 università che hanno un centro IceCube per lo studio dei neutrini.

Poiché il neutrino non ha carica elettrica ed è quasi privo di massa, non è disturbato da forze elettromagnetiche e nucleari forti, permettendogli di viaggiare per miliardi di anni luce attraverso l’Universo nel suo stato originale.

La domanda chiave è se le proprietà del neutrino siano in realtà completamente invariate mentre viaggia su grandi distanze o se piccoli cambiamenti siano degni di nota.

“Se il neutrino subisce i sottili cambiamenti che sospettiamo, questa sarebbe la prima forte prova della gravità quantistica“, dice Tom Stuttard.

Il neutrino è disponibile in tre sapori

Per capire quali cambiamenti nelle proprietà dei neutrini il team sta cercando, sono necessarie alcune informazioni di base.

Mentre ci riferiamo ad esso come a una particella, ciò che osserviamo come neutrino sono in realtà tre particelle prodotte insieme, note in meccanica quantistica come sovrapposizione.

Il neutrino può avere tre configurazioni fondamentali – sapori come vengono definiti dai fisici – che sono elettrone, muone e tau.

Quale di queste configurazioni osserviamo cambia mentre il neutrino viaggia, un fenomeno davvero strano noto come oscillazioni dei neutrini.

Questo comportamento quantistico viene mantenuto per migliaia di chilometri o più, il che viene definito coerenza quantistica.

“Nella maggior parte degli esperimenti, la coerenza si rompe presto. Ma non si ritiene che questo sia causato dalla gravità quantistica. È molto difficile creare le condizioni perfette in un laboratorio. Vuoi il vuoto perfetto, ma in qualche modo alcune molecole riescono a intrufolarsi. Al contrario, i neutrini sono speciali in quanto semplicemente non sono influenzati dalla materia che li circonda, quindi sappiamo che se la coerenza viene interrotta non sarà a causa di carenze nella configurazione sperimentale creata dall’uomo”, spiega Tom Stuttard.

Molti colleghi erano scettici

Alla domanda se i risultati dello studio pubblicato su Nature Physics fossero quelli attesi, il ricercatore risponde:

“Ci troviamo in una rara categoria di progetti scientifici, vale a dire esperimenti per i quali non esiste un quadro teorico stabilito. Quindi, non sapevamo cosa aspettarci. Tuttavia, sapevamo che potevamo cercare alcune delle proprietà generali che ci saremmo aspettati da una teoria quantistica della gravità”.

“Anche se avevamo speranze di vedere cambiamenti legati alla gravità quantistica, il fatto che non li abbiamo visti non esclude affatto che siano reali. Quando un neutrino atmosferico viene rilevato nella struttura antartica, in genere ha viaggiato attraverso la Terra. Ciò significa circa 12.700 km, una distanza molto breve rispetto ai neutrini provenienti dall’Universo distante. Apparentemente, è necessaria una distanza molto più lunga affinché la gravità quantistica abbia un impatto, se esiste“, afferma Tom Stuttard, sottolineando che l’obiettivo principale dello studio era quello di stabilire la metodologia:

“Per anni, molti fisici hanno dubitato che gli esperimenti potessero mai sperare di testare la gravità quantistica. La nostra analisi mostra che è effettivamente possibile, e con le future misurazioni con neutrini astrofisici, così come i rivelatori più precisi in costruzione nel prossimo decennio, speriamo di rispondere finalmente a questa domanda fondamentale”.