Riassunto:
Gli scienziati del Politecnico federale di Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer hanno recentemente compiuto importanti progressi. Hanno usato elio superfluido vicino allo zero assoluto per creare un fascio altamente controllabile di atomi di muoni. Progettano di utilizzare questo atomo speciale per testare direttamente se la gravità ha esattamente lo stesso effetto sulle particelle elementari di seconda generazione della materia ordinaria.
La chiave di questa ricerca non è dimostrare che ci sono problemi con la teoria di Einstein, ma provare per la prima volta ad estendere l'oggetto della verifica del principio di equivalenza gravitazionale alla seconda generazione di particelle elementari. Se l’esperimento alla fine dovesse scoprire che il movimento dei topi nel campo gravitazionale della Terra è inspiegabilmente diverso da quello della materia ordinaria, i risultati potrebbero fornire indizi per una nuova fisica oltre l’attuale modello standard, e coinvolgere persino un’ipotetica “quinta forza fondamentale”.
La materia nel mondo di tutti i giorni è composta principalmente da protoni, neutroni ed elettroni. Queste particelle appartengono alle cosiddette particelle elementari di prima generazione. In natura esistono anche particelle di seconda e terza generazione con massa maggiore, tra cui i muoni sono i "parenti" di seconda generazione degli elettroni. La massa di un muone è circa 207 volte quella di un elettrone, ma non è un componente stabile degli atomi ordinari, bensì una particella elementare con una durata di vita estremamente breve.
Il Modello Standard può descrivere queste diverse generazioni di particelle, ma non può spiegare una domanda fondamentale di vecchia data: perché la natura richiede tre generazioni di particelle elementari e perché oltre alla prima generazione ci sono anche particelle di seconda e terza generazione con masse significativamente maggiori.
Pertanto, gli scienziati sperano di saperne di più sulle proprietà fondamentali di queste particelle studiando il comportamento gravitazionale dei muoni. Una questione chiave è se il principio di equivalenza di Einstein si applica non solo alla materia ordinaria, ma anche alla materia costituita da particelle elementari di seconda generazione.
Il cosiddetto principio di equivalenza è legato a un fenomeno molto familiare: quando si ignorano fattori esterni come la resistenza dell'aria, oggetti di masse e composizioni diverse cadranno liberamente allo stesso modo nello stesso campo gravitazionale. La fisica moderna collega questo fenomeno all’equivalenza tra massa gravitazionale e massa inerziale, che è anche uno dei fondamenti importanti della relatività generale.
In passato, gli esseri umani hanno condotto un gran numero di esperimenti ad alta precisione utilizzando la materia ordinaria, e hanno anche condotto test di gravità sulla prima generazione di antimateria, ma la situazione è completamente diversa per la seconda generazione di particelle elementari. Studiare la gravità dei muoni è difficile perché i muoni vivono in media solo circa 2,2 microsecondi prima di decadere.
I ricercatori hanno scelto un tipo speciale di atomo chiamato "musin" per risolvere parte del problema. I muoni sono composti da un antimuone carico positivamente e da un elettrone carico negativamente. Se combinati, i due sono elettricamente neutri. Sebbene la sua struttura sia simile a quella di un atomo di idrogeno, la maggior parte della sua massa proviene da antimuoni, che sono molto più pesanti degli elettroni.
La neutralità elettrica è una condizione importante per l'esecuzione degli esperimenti. La gravità stessa è molto debole. Se le particelle cariche fossero direttamente coinvolte negli esperimenti, il campo elettromagnetico estremamente debole che le circonda potrebbe avere un impatto molto maggiore dell’effetto gravitazionale, soffocando completamente il segnale che gli scienziati vogliono realmente misurare.
Tuttavia, esiste ancora un problema serio con i metodi passati di produzione della mucina: la velocità e la direzione del movimento della mucina prodotta variano notevolmente. Ciò rende difficile per gli scienziati misurare con precisione la sua traiettoria quando ha una durata di soli 2,2 microsecondi, per non parlare di cercare deviazioni estremamente piccole causate dalla gravità terrestre.
Il più grande passo avanti in questa ricerca è risolvere il problema del controllo del fascio di muoni.
Il gruppo di ricerca ha sparato antimuoni dall'acceleratore di particelle dell'Istituto Paul Scherrer in uno strato di elio superfluido a una temperatura vicina allo zero assoluto. L'elio superfluido è uno speciale fluido quantistico che presenta proprietà molto speciali a temperature estremamente basse.
Dopo essere entrati nell'elio superfluido, gli antimuoni decelereranno rapidamente e potranno combinarsi con gli elettroni liberi per formare muoni. Il topo viene quindi sottoposto allo speciale potenziale chimico dell'elio superfluido. Quando raggiunge la superficie del liquido, l'energia immagazzinata in questo potenziale chimico viene convertita in energia cinetica, facendo volare il topo verticalmente verso l'alto dalla superficie del liquido.
I ricercatori chiamano quindi questo processo "cannone atomico".
Rispetto ai muoni disordinati prodotti in passato, il nuovo metodo può creare fasci di mucine "freddi" con velocità più costanti e direzioni di movimento più parallele. "Freddo" qui non significa semplicemente bassa temperatura, ma significa che la distribuzione della velocità di movimento di questi atomi è più concentrata e può propagarsi in direzioni quasi parallele a una velocità relativamente costante.
Questo è fondamentale per il prossimo esperimento sulla gravità. Poiché i muoni possono esistere solo per pochi microsecondi, i ricercatori devono consentire loro di completare l'intero processo dalla produzione, al volo fino alla misurazione in un tempo molto breve. L'elio superfluido non solo aiuta a produrre un fascio di muoni più regolare, ma consente anche ai muoni di evitare numerose collisioni e dispersioni prima di lasciare il liquido.
Il prossimo passo per i ricercatori sarà utilizzare un interferometro atomico per effettuare misurazioni della gravità reale. Gli atomi hanno una dualità onda-particella e quindi possono interferire come le onde luminose. Gli scienziati faranno passare un fascio di atomi murini attraverso un dispositivo di interferenza progettato con precisione e poi osserveranno se la gravità terrestre provoca spostamenti estremamente piccoli nel modello di interferenza risultante.
Se questa deflessione potesse essere misurata con precisione, si potrebbe calcolare il movimento dei muoni nel campo gravitazionale della Terra, testando così direttamente se le particelle di seconda generazione seguono le stesse leggi di caduta libera della materia ordinaria.
Il gruppo di ricerca spera di testare per la prima volta quest'anno l'intero approccio sperimentale utilizzando il raggio atomico appena creato. Se tutto andrà bene, si prevede che entro i prossimi due o tre anni verrà condotto un vero esperimento sulla gravità dei muoni.
Questa tecnologia ha anche altri usi. Poiché ora è disponibile un fascio di muoni più regolare e di maggiore intensità, i ricercatori possono utilizzarlo anche per condurre esperimenti di spettroscopia laser più precisi. Si prevede che queste misurazioni aiuteranno gli scienziati a determinare ulteriormente la massa del muone e altre costanti fisiche fondamentali.
Ciò che è veramente entusiasmante sono i possibili "risultati inattesi" dell'esperimento.
Se i murini si comportassero diversamente dalla materia ordinaria in un campo gravitazionale, significherebbe che c'è qualche fattore da scoprire nella teoria fisica esistente. I ricercatori ritengono che l’anomalia possa anche indicare una “quinta forza fondamentale” non ancora scoperta, tra le altre possibili spiegazioni teoriche.
Attualmente, la fisica ha confermato quattro interazioni fondamentali, ovvero gravità, interazione elettromagnetica, interazione forte e interazione debole. In passato i fisici hanno proposto vari modelli teorici per la possibile esistenza di una quinta forza fondamentale, ma finora non è stata accettata alcuna prova sperimentale diretta.
Tuttavia, il gruppo di ricerca non ha progettato questo esperimento per "trovare la quinta forza". I ricercatori hanno sottolineato che l’obiettivo più diretto e importante dell’esperimento è in realtà più fondamentale: misurare per la prima volta se anche i muoni composti da particelle elementari di seconda generazione seguono la relazione equivalente tra massa gravitazionale e massa inerziale.
Pertanto, questa ricerca attualmente non ribalta la teoria di Einstein, né scopre una quinta forza. Gli scienziati hanno finalmente creato una tecnica sperimentale in grado di misurare effettivamente questo problema.
Se il risultato finale sarà conforme alle previsioni della relatività generale, dimostrerà ulteriormente che il principio di equivalenza si applica non solo alla materia di prima generazione che conosciamo, ma anche alle particelle elementari di seconda generazione; se i risultati si discostano in modo affidabile e non può essere spiegato da errori noti, i fisici dovranno riesaminare la teoria esistente e cercare nuovi meccanismi fisici che possano spiegare questa anomalia.
In altre parole, ciò che questo cosiddetto "cannone atomico" sta realmente prendendo di mira non è Einstein stesso, ma una domanda fondamentale che dura da centinaia di anni: se diversi tipi di materia nell'universo avvertono davvero la gravità esattamente allo stesso modo.
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