Un team dell'Università di Copenaghen contribuisce a un grande esperimento antartico che cerca di scoprire se la gravità esista anche a livello quantistico: una straordinaria particella in grado di viaggiare indisturbata attraverso lo spazio sembra detenere la risposta. I neutrini potrebbero avvicinarci alla risposta.
La gravità quantistica esiste?
Diverse migliaia di sensori distribuiti su un chilometro quadrato vicino al Polo Sud sono incaricati di rispondere a una delle grandi domande irrisolte della fisica: la gravità quantistica esiste? I sensori monitorano i neutrini – particelle prive di carica elettrica e quasi senza massa – che arrivano sulla Terra dallo spazio esterno. Un team dell'Istituto Niels Bohr (NBI) dell'Università di Copenaghen ha contribuito a sviluppare il metodo che sfrutta i dati dei neutrini per rivelare se la gravità quantistica esista.
"Se, come crediamo, la gravità quantistica esiste davvero, ciò contribuirà a unire i due attuali 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 utilizzando la meccanica quantistica. L'unificazione della teoria quantistica e della gravitazione rimane una delle sfide più significative nella fisica fondamentale. Sarebbe molto soddisfacente se potessimo contribuire a raggiungere questo obiettivo," afferma Tom Stuttard, professore assistente al NBI.
Lo studio sui Neutrini
Tom Stuttard è coautore di un articolo scientifico pubblicato dalla prestigiosa rivista Nature Physics. L'articolo presenta i risultati di uno studio ampio condotto dal team del NBI e dai colleghi americani. Sono stati studiati più di 300.000 neutrini. Tuttavia, questi non sono neutrini del tipo più interessante originato da fonti nello spazio profondo. I neutrini in questo studio sono stati creati nell'atmosfera terrestre, quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio hanno colliso con azoto o altre molecole.
"Studiare i neutrini che originano dall'atmosfera terrestre ha il vantaggio pratico che sono di gran lunga più comuni dei loro fratelli provenienti dallo spazio esterno. Avevamo bisogno di dati provenienti da molti neutrini per convalidare la nostra metodologia. Questo è stato ora realizzato. Siamo quindi pronti per entrare nella prossima fase in cui studieremo i neutrini dallo spazio profondo," dice Tom Stuttard.
Indisturbati verso la Terra
L'Osservatorio dei Neutrini IceCube è situato accanto alla Stazione Polo Sud Amundsen-Scott in Antartide. Contrariamente alla maggior parte delle altre strutture di astronomia e astrofisica, IceCube funziona meglio per osservare lo spazio sul lato opposto della Terra, cioè nell'emisfero settentrionale. Questo perché mentre il neutrino è perfettamente in grado di penetrare il nostro pianeta – e persino il suo nucleo caldo e denso – altre particelle verranno fermate, e il segnale è quindi molto più pulito per i neutrini che provengono dall'emisfero settentrionale.
L'installazione IceCube è gestita dall'Università di Wisconsin-Madison, USA. Più di 300 scienziati provenienti da paesi di tutto il mondo sono coinvolti nella collaborazione IceCube. L'Università di Copenaghen è una delle oltre 50 università che hanno un centro IceCube per gli studi sui neutrini.
Poiché il neutrino non ha carica elettrica ed è quasi privo di massa, non è disturbato dalle forze elettromagnetiche e nucleari forti, consentendogli di viaggiare miliardi di anni luce attraverso l'Universo nel suo stato originale.
La domanda chiave è se le proprietà del neutrino siano effettivamente completamente invariate mentre viaggia su grandi distanze o se sono notabili piccoli cambiamenti.
"Se il neutrino subisce i sottili cambiamenti che sospettiamo, questo sarebbe il primo forte indice della gravità quantistica," dice Tom Stuttard.
Il Neutrino viaggia in tre varianti
Per capire quali cambiamenti nelle proprietà del neutrino il team sta cercando, è necessaria qualche informazione di base. Anche se lo consideriamo una particella, ciò che osserviamo come neutrino sono realmente tre particelle prodotte insieme, conosciute in meccanica quantistica come sovrapposizione.
Il neutrino può avere tre configurazioni fondamentali – dette "varianti" 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 è mantenuto su migliaia di chilometri o più, che viene definito coerenza quantistica.
"Nella maggior parte degli esperimenti, la coerenza viene presto interrotta. Ma questo non è creduto essere causato dalla gravità quantistica. È solo molto difficile creare condizioni perfette in un laboratorio. Si desidera un vuoto perfetto, ma in qualche modo alcune molecole riescono a infilarsi ecc. Al contrario, i neutrini sono speciali nel senso che semplicemente non sono influenzati dalla materia circostante, quindi sappiamo che se la coerenza viene interrotta non sarà a causa di carenze nella configurazione sperimentale fatta dall'uomo," spiega Tom Stuttard.
Lo scetticismo dei colleghi
Chiesto se i risultati dello studio pubblicato in Nature Physics fossero come previsto, il ricercatore risponde:
"Ci troviamo in una categoria rara di progetti scientifici, ovvero esperimenti per i quali non esiste un quadro teorico stabilito. Quindi, semplicemente non sapevamo cosa aspettarci. Tuttavia, sapevamo che potevamo cercare alcune delle proprietà generali che potremmo aspettarci che una teoria quantistica della gravità avesse."
"Anche se avevamo speranze di vedere cambiamenti legati alla gravità quantistica, il fatto di non averli visti non esclude affatto che siano reali. Quando un neutrino atmosferico viene rilevato presso la struttura antartica, avrà tipicamente viaggiato attraverso la Terra. Significa circa 12.700 km – una distanza molto breve rispetto ai neutrini che originano dall'Universo lontano. Apparentemente, è necessaria una distanza molto maggiore affinché la gravità quantistica abbia un impatto, se esiste," dice Tom Stuttard, notando che l'obiettivo principale dello studio era stabilire la metodologia:
"Per anni, molti fisici hanno dubitato che gli esperimenti potessero mai sperare di testare la gravità quantistica. La nostra analisi dimostra che è effettivamente possibile, e con futuri misurazioni con neutrini astrofisici, oltre a rivelatori più precisi che verranno costruiti nel prossimo decennio, speriamo di rispondere finalmente a questa domanda fondamentale."