Un esperimento di rilevamento quantistico potrebbe rilevare singoli gravitoni, le particelle che compongono la gravità, cosa che fino ad ora era considerata impossibile.
Un team guidato dal professor Igor Pikovski di Stevens ha appena delineato come rilevare i singoli gravitoni, che si pensa siano gli elementi costitutivi quantistici della gravità, e rendere reale quell’esperimento dovrebbe essere possibile con la tecnologia quantistica, suggeriscono, nel prossimo futuro.
“Questo è un esperimento fondamentale che è stato a lungo ritenuto impossibile, ma pensiamo di aver trovato un modo per farlo”, afferma Igor Pikovski, professore di fisica di Stevens, anche lui affiliato all’Università di Stoccolma.
Pikovski ha guidato un team di studenti laureati del primo anno Germain Tobar, Thomas Beitel e il ricercatore post-dottorato Sreenath Manikandan.
I loro risultati sulla “rilevazione di singoli gravitoni con il rilevamento quantistico” sono stati pubblicati su Nature Communications questa settimana.
Particelle sfuggenti che costruiscono il tessuto cosmico
La gravità funziona e basta. Le cose cadono, i pianeti orbitano l’uno intorno all’altro.
Più di cento anni fa, Einstein ha rivoluzionato la nostra comprensione della gravità, spiegandola come cambiamenti nello spazio e nel tempo.
Molti effetti della gravità prima inimmaginabili sono stati ora confermati: dilatazione del tempo, onde gravitazionali o buchi neri.
Ma c’è qualcos’altro di speciale nella gravità: finora abbiamo visto solo la sua versione “classica”, mentre tutte le altre forze sono spiegate dalla teoria quantistica.
Uno dei sacri graal della fisica è stato a lungo quello di collegare la gravità con la meccanica quantistica, ma questo problema rimane irrisolto.
In qualsiasi teoria quantistica della gravità, ci aspetteremmo che si verifichino alcune singole particelle indivisibili.
I fisici hanno chiamato queste particelle sfuggenti gravitoni: pensatele come i mattoni della gravità, proprio come gli atomi sono i mattoni della materia.
In teoria, le onde gravitazionali che passano frequentemente attraverso la Terra a causa di eventi cosmici colossali come le collisioni di buchi neri sono costituite da un numero enorme di questi gravitoni.
Grandi rivelatori impressionanti come LIGO possono ora confermare l’esistenza di tali onde gravitazionali.
Eppure un gravitone non è mai stato rilevato nella storia; Anche l’idea di individuarne uno è stata a lungo ritenuta impossibile.
Tuttavia, le cose potrebbero essere cambiate.
Il team di Pikovski ha proposto una soluzione che prevede l’accoppiamento della tecnologia di rilevamento fisico esistente – qualcosa chiamato risonatore acustico, fondamentalmente un cilindro pesante – e l’equipaggiamento con metodi di rilevamento dello stato energetico migliorati (noto anche come rilevamento quantistico).
“La nostra soluzione è simile all’effetto fotoelettrico che ha portato Einstein alla teoria quantistica della luce”, spiega Pikovski, “solo con le onde gravitazionali che sostituiscono le onde elettromagnetiche. La chiave è che l’energia viene scambiata tra il materiale e le onde solo in passaggi discreti: i singoli gravitoni vengono assorbiti ed emessi”.
Ma come rilevarli?
“Abbiamo bisogno di raffreddare il materiale e quindi monitorare come cambia l’energia in un singolo passaggio, e questo può essere ottenuto attraverso il rilevamento quantistico”, afferma Manikandan, borsista post-dottorato presso il Nordic Institute for Theoretical Physics di Stoccolma.
“Osservando questi salti quantici nel materiale, possiamo dedurre che un gravitone è stato assorbito”, aggiunge Tobar, ora studente laureato all’Università di Stoccolma. “Lo chiamiamo ‘effetto gravito-fononico’”.
Una delle innovazioni proposte dal team è quella di utilizzare i dati disponibili da LIGO, un osservatorio statunitense con due strutture che ha recentemente confermato l’esistenza delle onde gravitazionali.
“Gli osservatori LIGO sono molto bravi a rilevare le onde gravitazionali, ma non possono catturare i singoli gravitoni”, osserva Beitel, uno studente di dottorato della Stevens. “Ma possiamo usare i loro dati per correlare in modo incrociato con il nostro rivelatore proposto per isolare singoli gravitoni”.
Collisioni cosmiche, cilindri pesanti, sensori quantistici
In che modo il team di Pikovski ha progettato questo ingegnoso esperimento? Con un sacco di matematica e creatività, oltre a un grande aiuto dai recenti progressi tecnologici.
“Molti fisici ci hanno pensato nel corso degli anni, ma la risposta è sempre stata la stessa: non si può fare”, dice Pikovski.
Era impossibile immaginare esperimenti quantistici che andassero oltre pochi atomi e non interagissero quasi mai con i gravitoni”.
Ma ora il gioco è cambiato: gli scienziati hanno recentemente iniziato a creare e osservare effetti quantistici in oggetti macroscopici.
Pikovski si rese conto che questi oggetti quantistici macroscopici sono ideali per vedere le firme di un singolo gravitone: interagiscono molto più fortemente con la gravità, e possiamo rilevare come questi oggetti assorbono ed emettono energia in passi discreti.
Il team ha iniziato a pensare a un possibile esperimento.
Utilizzando i dati delle onde gravitazionali che sono state precedentemente misurate sulla Terra, come quelle arrivate nel 2017 da una collisione di due stelle di neutroni lontane delle dimensioni di Manhattan (ma super-dense), hanno calcolato i parametri che ottimizzerebbero la probabilità di assorbimento per un singolo gravitone.
“Si scopre che questa misurazione può essere eseguita”, afferma Manikandan, “ad esempio utilizzando un dispositivo simile alla barra di Weber”.
Le barre Weber sono barre cilindriche spesse e pesanti (fino a una tonnellata) che prendono il nome dal loro inventore, Joseph Weber, nativo del New Jersey.
Le barre sono cadute in disuso di recente con la proliferazione delle tecnologie di rilevamento basate sull’ottica, ma in realtà funzionerebbero bene per una spedizione di caccia al gravitone di un fisico.
Questo perché possono assorbire ed emettere gravitoni, in diretta analogia con ciò che Einstein ha coniato come “emissione e assorbimento stimolati” di fotoni, i più piccoli elementi costitutivi della luce.
Un rivelatore quantistico di nuova concezione verrebbe raffreddato alla sua energia più bassa, quindi verrebbe fatto vibrare molto leggermente dal passaggio di un’onda gravitazionale.
I sensori di energia supersensibili potrebbero quindi teoricamente catturare come tali vibrazioni cambiano in passaggi discreti.
Ogni cambiamento discreto (noto anche come salto quantico) indicherebbe un singolo evento gravitazionale.
Naturalmente, c’è un problema con la cattura dei gravitoni. La tecnologia di rilevamento necessaria non esiste ancora.
«Di recente sono stati osservati salti quantici nei materiali, ma non ancora alle masse di cui abbiamo bisogno», sottolinea Tobar. “Ma la tecnologia avanza molto rapidamente e abbiamo più idee su come renderla più facile”.
“Siamo certi che questo esperimento funzionerà”, afferma entusiasta Thomas.
“Ora che sappiamo che i gravitoni possono essere rilevati, è una motivazione in più sviluppare ulteriormente la tecnologia di rilevamento quantistico appropriata. Con un po’ di fortuna, si sarà presto in grado di catturare singoli gravitoni”.
Ma mentre le nuove tecnologie quantistiche sono fondamentali, l’ispirazione per questo risultato è venuta da altrove.
“Sappiamo che la gravità quantistica è ancora irrisolta, ed è troppo difficile testarla in tutto il suo splendore”, dice Pikovski, “ma ora possiamo fare i primi passi, proprio come fecero gli scienziati più di cento anni fa con i quanti di luce”.
Immagine: Pikovski Research Group
