Diverse migliaia di sensori distribuiti su un chilometro quadrato vicino al Polo Sud hanno il compito di rispondere a una delle grandi domande aperte della 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), 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, ciò contribuirà a unire gli attuali due mondi della fisica. Oggi la fisica classica descrive i fenomeni che ci circondano normalmente, 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 importanti della fisica fondamentale. Sarebbe molto soddisfacente se potessimo contribuire a questo scopo”, afferma Tom Stuttard, professore assistente presso l’NBI.
Stuttard è coautore di un articolo pubblicato dalla rivista Fisica della natura. L'articolo presenta i risultati di un ampio studio condotto dal team NBI e da colleghi americani. Sono stati studiati più di 300,000 neutrini.
Non si tratta però di neutrini del tipo più interessante provenienti da sorgenti nello spazio profondo. I neutrini di questo studio sono stati creati nell’atmosfera terrestre, quando le particelle ad alta energia provenienti dallo spazio si sono scontrate con l’azoto o altre molecole.
“Osservare i neutrini originati 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 realizzato ora. Siamo quindi pronti per entrare nella fase successiva in cui studieremo i neutrini dallo spazio profondo”, afferma Stuttard.
Viaggiare indisturbati attraverso la Terra
L'Osservatorio IceCube Neutrino si trova vicino alla stazione del Polo Sud Amundsen-Scott in Antartide. A differenza della maggior parte delle altre strutture di astronomia e astrofisica, IceCube funziona al meglio per osservare lo spazio sul lato opposto della Terra, ovvero nell'emisfero settentrionale. Questo perché mentre il neutrino è perfettamente in grado di penetrare nel nostro pianeta – e anche nel 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, Stati Uniti. Oltre 300 scienziati provenienti da paesi di tutto il mondo sono stati coinvolti nella collaborazione IceCube. L'Università di Copenaghen è una delle oltre 50 università dotate di 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, il che gli consente di viaggiare per miliardi di anni luce attraverso l'universo nel suo stato originale.
La domanda chiave è se le proprietà del neutrino rimangono effettivamente completamente invariate mentre viaggia su grandi distanze o se dopo tutto si notano piccoli cambiamenti.
"Se il neutrino subisse i sottili cambiamenti che sospettiamo, questa sarebbe la prima prova evidente dell'esistenza della gravità quantistica", afferma Stuttard.
Il neutrino è disponibile in tre gusti
Per capire quali cambiamenti nelle proprietà dei neutrini sta cercando il team, sono necessarie alcune informazioni di base. Anche se lo chiamiamo particella, ciò che osserviamo come neutrino sono in realtà tre particelle prodotte insieme, fenomeno noto 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 del neutrino. Questo comportamento quantistico viene mantenuto per migliaia di chilometri o più, fenomeno chiamato coerenza quantistica.
“Nella maggior parte degli esperimenti, la coerenza viene presto interrotta. Ma non si ritiene che ciò sia causato dalla gravità quantistica. È semplicemente molto difficile creare condizioni perfette in un laboratorio. Vuoi un vuoto perfetto, ma in qualche modo alcune molecole riescono a intrufolarsi, ecc.
"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 nell'apparato sperimentale creato dall'uomo", spiega Stuttard.
Molti colleghi erano scettici
Alla domanda se i risultati dello studio pubblicato in Fisica della natura erano come previsto, risponde il ricercatore: “Ci troviamo in una rara categoria di progetti scientifici, vale a dire esperimenti per i quali non esiste un quadro teorico stabilito. Quindi, semplicemente non sapevamo cosa aspettarci. Tuttavia, sapevamo che avremmo potuto cercare alcune delle proprietà generali che potremmo aspettarci da una teoria quantistica della gravità”.
“Anche se speravamo 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 presso la struttura antartica, in genere avrà viaggiato attraverso la Terra. Ciò significa circa 12,700 km, una distanza molto breve rispetto ai neutrini originari del lontano universo. A quanto pare, è necessaria una distanza molto più lunga affinché la gravità quantistica abbia un impatto, se esiste”, afferma Stuttard, sottolineando 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 mostra che è effettivamente possibile, e con le future misurazioni con neutrini astrofisici, così come con rivelatori più precisi che verranno costruiti nel prossimo decennio, speriamo di rispondere finalmente a questa domanda fondamentale”.