Gravità: atomi in caduta libera aprono nuove frontiere / Gravity: atoms in free fall open new frontiers

Gravità: atomi in caduta libera aprono nuove frontiere / Gravity: atoms in free fall open new frontiers

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa

Un reticolo ottico intrappola gruppi di atomi (dischi blu) in una matrice regolare in modo che possano essere studiati per più di un minuto all’interno di un interferometro di atomi reticolari. I singoli atomi (punti blu) sono posizionati in una sovrapposizione spaziale quantistica, ovvero in due strati del reticolo contemporaneamente, indicati dalle bande gialle allungate. / An optical lattice traps groups of atoms (blue disks) in a regular array so they can be studied for more than a minute inside a lattice atom interferometer. The individual atoms (blue dots) are positioned in a quantum spatial superposition, i.e. in two layers of the lattice at the same time, indicated by the elongated yellow bands.

Un gruppo di ricercatori della Berkeley ha perfezionato la sensibilità degli esperimenti sulla gravità combinando un interferometro atomico con un reticolo ottico. Questo approccio innovativo permette di mantenere gli atomi in caduta libera per periodi significativamente più lunghi, aumentando la precisione delle misurazioni.

L’obiettivo di questo esperimento è quello di individuare eventuali deviazioni dalla teoria gravitazionale di Newton, che potrebbero rivelare nuovi aspetti quantistici della gravità. I ricercatori sperano anche di poter testare l’esistenza di particelle esotiche come i camaleonti o i simmetroni, ipotizzate per spiegare la materia oscura che permea l’Universo.

Atomi in caduta libera per svelare i misteri dell’energia oscura e della gravità

Venticinque anni fa, i fisici hanno scoperto l’energia oscura, una forza misteriosa che spinge l’universo ad espandersi ad un ritmo sempre crescente. Da allora, la ricerca di una particella nuova ed esotica che sia la causa di questa espansione è diventata inarrestabile.

Ora, un gruppo di fisici dell’Università della California, Berkeley, ha spinto ulteriormente i confini di questa ricerca costruendo l’esperimento più preciso mai realizzato per cercare piccole deviazioni dalla teoria gravitazionale standard. Queste deviazioni potrebbero rivelare l’esistenza di una particella ipotetica, soprannominata camaleonte o simmetrone dai teorici.

L’esperimento ha combinato un interferometro atomico, che permette misurazioni estremamente precise della gravità, con un reticolo ottico per mantenere gli atomi in posizione. Grazie a questo innovativo approccio, i ricercatori sono riusciti ad immobilizzare gli atomi in caduta libera per secondi anziché millisecondi, migliorando di cinque volte la precisione rispetto alle misurazioni precedenti.

Questo progresso apre nuove ed interessanti possibilità per la ricerca futura sulla gravità e sulla natura dell’energia oscura.

Esplorando la natura quantistica della gravità

Anche se i ricercatori non hanno trovato alcuna deviazione da quanto previsto dalla teoria formulata da Isaac Newton 400 anni fa, i miglioramenti attesi nella precisione dell’esperimento potrebbero alla fine fornire prove che supportano o smentiscono le teorie di un’ipotetica quinta forza mediata da camaleonti o simmetroni. 

La capacità dell’interferometro ad atomi reticolari di trattenere gli atomi fino a 70 secondi, e potenzialmente 10 volte di più, apre anche la possibilità di sondare la gravità a livello quantistico, ha affermato Holger Müller, professore di fisica alla UC Berkeley. Mentre i fisici hanno teorie ben collaudate che descrivono la natura quantistica di tre delle quattro forze della natura, l’elettromagnetismo e le forze forti e deboli, mentre la natura quantistica della gravità non sono mai state dimostrate.

Müller ha dichiarato: “La maggior parte dei teorici probabilmente concorda sul fatto che la gravità sia quantistica. Ma nessuno ha mai visto una firma sperimentale di questo. È molto difficile anche solo sapere se la gravità è quantistica, ma se potessimo tenere i nostri atomi 20 o 30 volte più a lungo di chiunque altro, perché la nostra sensibilità aumenta con la seconda o quarta potenza del tempo di tenuta, potremmo avere una probabilità da 400 a 800.000 volte maggiore di trovare una prova sperimentale che la gravità è effettivamente meccanica quantistica”.

Oltre alle misurazioni di precisione della gravità, altre applicazioni dell’interferometro atomico reticolare includono il rilevamento quantistico.

Cristian Panda, borsista post-dottorato presso l’UC Berkeley, primo autore di un articolo sulle misurazioni della gravità che verrà pubblicato questa settimana sulla rivista Nature e di cui è coautore Müller, ha affermato: “L’interferometria atomica è particolarmente sensibile alla gravità od agli effetti inerziali. Si possono costruire giroscopi e accelerometri. Ma questo apre una nuova direzione all’interferometria atomica, dove il rilevamento quantistico di gravità, accelerazione e rotazione potrebbe essere effettuato con atomi tenuti in reticoli ottici in un pacchetto compatto che è resiliente alle imperfezioni ambientali od al rumore”.

Poiché il reticolo ottico mantiene gli atomi rigidamente al loro posto, l’interferometro atomico reticolare potrebbe funzionare anche in mare, dove vengono impiegate misurazioni sensibili della gravità per mappare la geologia del fondale oceanico.

L’energia oscura è stata scoperta nel 1998 da due gruppi di scienziati: un gruppo di fisici con sede al Lawrence Berkeley National Laboratory, guidato da Saul Perlmutter, ora professore di fisica alla UC Berkeley, ed un gruppo di astronomi che includeva il borsista post-dottorato della UC Berkeley Adam Riess. I due hanno condiviso il premio Nobel per la fisica del 2011 per la scoperta.

La scoperta che l’universo si espande ad un ritmo accelerato è avvenuta grazie all’osservazione di supernove lontane, utilizzate per misurare le distanze cosmiche. Nonostante le numerose ipotesi formulate dai teorici sulla natura di questa espansione accelerata, l’energia oscura rimane un mistero, un enigma di proporzioni immense, dato che rappresenta circa il 70% dell’intera materia ed energia dell’universo.

Tra le ipotesi più suggestive, l’energia oscura potrebbe essere semplicemente l’energia del vuoto dello spazio. Un’altra teoria la identifica come un campo energetico, denominato quintessenza, che varia nel tempo e nello spazio.

Un’altra affascinante ipotesi ha proposto che l’energia oscura sia una quinta forza, molto più debole della gravità, mediata da una particella ipotetica. Questa particella eserciterebbe una forza repulsiva che varia in base alla densità della materia circostante. Nel vuoto dello spazio, la sua forza repulsiva agirebbe su lunghe distanze, dilatando l’universo. Tuttavia, in un ambiente ricco di materia, come un laboratorio terrestre, la sua portata sarebbe estremamente ridotta, rendendola difficile da individuare.

A causa di questa caratteristica di mimetizzarsi tra la materia, questa particella ipotetica ha ricevuto il soprannome di “camaleonte”.

Atomi in caduta libera, in cerca di camaleonti e gravità quantistica

Nel 2015, Müller ha adattato un interferometro atomico per cercare prove dell’esistenza di camaleonti utilizzando atomi di cesio lanciati in una camera a vuoto, che imita il vuoto dello spazio. Durante i 10-20 millisecondi necessari agli atomi per salire e scendere sopra una sfera di alluminio pesante, lui ed il suo gruppo non hanno rilevato alcuna deviazione da quanto ci si aspetterebbe dalla normale attrazione gravitazionale della sfera e della Terra.

La chiave per utilizzare gli atomi in caduta libera per testare la gravità è la capacità di eccitare ciascun atomo in una sovrapposizione quantistica di due stati, ciascuno con una quantità di moto leggermente diversa che li trasporta a distanze diverse da un pesante peso di tungsteno sospeso sopra di loro. Lo slancio più elevato e lo stato di elevazione più elevato sperimentano una maggiore attrazione gravitazionale sul tungsteno, cambiandone la fase. Quando la funzione d’onda dell’atomo collassa, la differenza di fase tra le due parti dell’onda di materia rivela la differenza nell’attrazione gravitazionale tra di loro.

Müller ha spiegato: “L’interferometria atomica è l’arte e la scienza di utilizzare le proprietà quantistiche di una particella, ovvero il fatto che è sia una particella che un’onda. Dividiamo l’onda in modo che la particella segua due percorsi contemporaneamente e poi li interferiamo alla fine. Le onde possono essere in fase e sommarsi, oppure possono essere fuori fase ed annullarsi a vicenda. Il problema è che il fatto che siano in fase o fuori fase dipende in modo molto sensibile da alcune quantità che potresti voler misurare, come l’accelerazione, la gravità, la rotazione o le costanti fondamentali”.

Nel 2019, Müller ed i suoi colleghi hanno aggiunto un reticolo ottico per mantenere gli atomi vicini al peso del tungsteno per un tempo molto più lungo – ben 20 secondi – per aumentare l’effetto della gravità sulla fase. Il reticolo ottico impiega due raggi laser incrociati che creano una serie di punti stabili in cui gli atomi possono riunirsi, levitando nel vuoto. Ma 20 secondi erano il limite, si è chiesto?

Durante il culmine della pandemia di COVID-19, Cristian Panda ha lavorato instancabilmente per estendere il tempo di attesa, fissando sistematicamente un elenco di 40 possibili ostacoli fino a stabilire che l’inclinazione oscillante del raggio laser, causata dalle vibrazioni, rappresentava una limitazione importante. Stabilizzando il raggio all’interno di una camera risonante e regolando la temperatura per renderlo un po’ più freddo – in questo caso meno di un milionesimo di Kelvin sopra lo zero assoluto, od un miliardo di volte più freddo della temperatura ambiente – è stato in grado di estendere il tempo di permanenza a 70 secondi. Lui e Müller hanno pubblicato i risultati ottenuti sulla rivista Nature Physics.

Nell’esperimento di gravità descritto, Panda e Müller hanno optato per un compromesso tra tempo di attesa e separazione dei pacchetti d’onda. Hanno utilizzato un tempo di attesa più breve, di 2 secondi, a fronte di una maggiore separazione dei pacchetti d’onda, che raggiungeva diversi micron, ovvero diversi millesimi di millimetro.

All’interno della camera a vuoto, durante ogni esperimento, sono presenti circa 10.000 atomi di cesio. Questi atomi sono troppo distanti per interagire direttamente tra loro e vengono quindi dispersi dal reticolo ottico in nuvole di circa 10 atomi ciascuna.

Panda ha spiegato: “La gravità cerca di spingerli verso il basso con una forza un miliardo di volte superiore all’attrazione esercitata dalla massa di tungsteno. Tuttavia, la forza di ripristino del reticolo ottico li trattiene, fungendo da scaffale virtuale. Per l’esperimento abbiamo diviso ogni atomo in due pacchetti d’onda, creando una sovrapposizione di due altezze. Successivamente, abbiamo caricato ciascun pacchetto d’onda in un sito reticolare separato, come se fosse un armadietto distinto. Al termine del mantenimento, abbiamo spento il reticolo ottico ed i pacchetti d’onda si sono ricombinati. In questo modo, abbiamo potuto estrarre tutte le informazioni quantistiche acquisite durante l’esperimento”.

Panda ha in programma di costruire il proprio interferometro atomico reticolare presso l’Università dell’Arizona, dove è stato appena nominato assistente professore di fisica. Spera di usarlo, tra le altre cose, per misurare più precisamente la costante gravitazionale che collega la forza di gravità con la massa.

Nel frattempo, Müller ed il suo gruppo stanno costruendo da zero un nuovo interferometro ad atomi reticolari con un migliore controllo delle vibrazioni ed una temperatura più bassa. Il nuovo dispositivo potrebbe produrre risultati 100 volte migliori dell’esperimento attuale, abbastanza sensibili da rilevare le proprietà quantistiche della gravità.

L’esperimento pianificato per rilevare l’entanglement gravitazionale, se avesse successo, sarebbe simile alla prima dimostrazione dell’entanglement quantistico dei fotoni eseguita all’UC Berkeley nel 1972 dal defunto Stuart Freedman e dall’ex borsista post-dottorato John Clauser. Clauser ha condiviso il premio Nobel per la fisica del 2022 per quel lavoro.

ENGLISH

A group of Berkeley researchers has improved the sensitivity of gravity experiments by combining an atomic interferometer with an optical grating. This innovative approach allows atoms to be kept in free fall for significantly longer periods, increasing the precision of measurements.

The goal of this experiment is to identify any deviations from Newton's gravitational theory, which could reveal new quantum aspects of gravity. The researchers also hope to be able to test the existence of exotic particles such as chameleons or symmetrons, hypothesized to explain the dark matter that permeates the Universe.

Atoms in free fall to reveal the mysteries of dark energy and gravity

Twenty-five years ago, physicists discovered dark energy, a mysterious force that drives the universe to expand at an ever-increasing rate. Since then, the search for a new and exotic particle to cause this expansion has become unstoppable.

Now, a team of physicists at the University of California, Berkeley, has pushed the boundaries of this research even further by building the most precise experiment yet to look for small deviations from standard gravitational theory. These deviations could reveal the existence of a hypothetical particle, nicknamed chameleon or symmetron by theorists.

The experiment combined an atomic interferometer, which allows extremely precise measurements of gravity, with an optical grating to keep the atoms in place. Thanks to this innovative approach, the researchers managed to immobilize the free-falling atoms for seconds instead of milliseconds, improving accuracy fivefold compared to previous measurements.

This progress opens up new and exciting possibilities for future research into gravity and the nature of dark energy.

Exploring the quantum nature of gravity

Although the researchers found no deviation from what was predicted by the theory formulated by Isaac Newton 400 years ago, the expected improvements in the precision of the experiment could eventually provide evidence that supports or refutes theories of a hypothetical chameleon-mediated fifth force or symmetrical. 

The lattice atom interferometer's ability to hold atoms for up to 70 seconds, and potentially 10 times longer, also opens up the possibility of probing gravity at the quantum level, said Holger Müller, a physics professor at UC Berkeley. While physicists have well-tested theories describing the quantum nature of three of the four forces of nature, electromagnetism and the strong and weak forces, and the quantum nature of gravity have never been proven.

Müller said: “Most theorists probably agree that gravity is quantum. But no one has ever seen an experimental signature of this. It's very difficult to even know whether gravity is quantum, but if we could hold our atoms 20 or 30 times longer than anyone else, because our sensitivity increases with the second or fourth power of holding time, we might have a chance 400 to 800,000 times greater than finding experimental evidence that gravity is indeed quantum mechanics.”

In addition to precision measurements of gravity, other applications of the atomic lattice interferometer include quantum sensing.

Cristian Panda, a postdoctoral fellow at UC Berkeley, first author of a paper on gravity measurements to be published this week in the journal Nature and co-authored by Müller, said: “Atomic interferometry is particularly sensitive to gravity or to inertial effects. Gyroscopes and accelerometers can be built. But this opens up a new direction for atomic interferometry, where quantum sensing of gravity, acceleration and rotation could be carried out with atoms held in optical lattices in a compact package that is resilient to environmental imperfections or noise."

Because the optical lattice holds the atoms rigidly in place, the lattice atomic interferometer could also work at sea, where sensitive gravity measurements are used to map the geology of the ocean floor.

Dark energy was discovered in 1998 by two teams of scientists: a group of physicists based at Lawrence Berkeley National Laboratory, led by Saul Perlmutter, now a professor of physics at UC Berkeley, and a group of astronomers that included post-doctoral fellow -UC Berkeley PhD Adam Riess. The two shared the 2011 Nobel Prize in Physics for the discovery.

The discovery that the universe is expanding at an accelerating rate occurred thanks to the observation of distant supernovae, used to measure cosmic distances. Despite the numerous hypotheses formulated by theorists on the nature of this accelerated expansion, dark energy remains a mystery, an enigma of immense proportions, given that it represents approximately 70% of all matter and energy in the universe.

Among the most suggestive hypotheses, dark energy could simply be the energy of the vacuum of space. Another theory identifies it as an energy field, called quintessence, which varies in time and space.

Another fascinating hypothesis proposed that dark energy is a fifth force, much weaker than gravity, mediated by a hypothetical particle. This particle would exert a repulsive force that varies based on the density of the surrounding matter. In the vacuum of space, its repulsive force would act over long distances, expanding the universe. However, in a matter-rich environment, such as a terrestrial laboratory, its range would be extremely small, making it difficult to detect.

Because of this characteristic of camouflage among matter, this hypothetical particle has received the nickname “chameleon”.

Atoms in free fall, in search of chameleons and quantum gravity

In 2015, Müller adapted an atomic interferometer to look for evidence of the existence of chameleons using cesium atoms launched into a vacuum chamber, which mimics the vacuum of space. During the 10 to 20 milliseconds it takes for atoms to rise and fall above a heavy aluminum sphere, he and his team detected no deviation from what would be expected from the normal gravitational pull of the sphere and the Earth.

The key to using free-falling atoms to test gravity is the ability to excite each atom into a quantum superposition of two states, each with a slightly different momentum that carries them different distances from a heavy tungsten weight suspended above of them. The higher momentum and higher elevation state experiences a greater gravitational pull on the tungsten, changing its phase. When the atom's wave function collapses, the phase difference between the two parts of the matter wave reveals the difference in gravitational attraction between them.

Müller explained: “Atom interferometry is the art and science of using the quantum properties of a particle, i.e. the fact that it is both a particle and a wave. We split the wave so that the particle follows two paths at the same time and then we interfere them at the end. The waves can be in phase and add, or they can be out of phase and cancel each other out. The problem is that whether they are in phase or out of phase depends very sensitively on some quantity you might want to measure, such as acceleration, gravity, rotation, or fundamental constants."

In 2019, Müller and his colleagues added an optical lattice to keep atoms close to the weight of tungsten for a much longer time – as much as 20 seconds – to increase the effect of gravity on the phase. The optical lattice employs two crossed laser beams that create a series of stable points where atoms can come together, levitating in the vacuum. But was 20 seconds the limit, you wondered?

During the height of the COVID-19 pandemic, Cristian Panda worked tirelessly to extend the waiting time, systematically establishing a list of 40 possible obstacles until he determined that the oscillating inclination of the laser beam, caused by vibrations, was a major limitation . By stabilizing the beam inside a resonant chamber and adjusting the temperature to make it a little colder – in this case less than a millionth of a Kelvin above absolute zero, or a billion times colder than room temperature – he was able capable of extending the dwell time to 70 seconds. He and Müller published their results in the journal Nature Physics.

In the gravity experiment described, Panda and Müller opted for a compromise between waiting time and separation of the wave packets. They used a shorter waiting time, of 2 seconds, with a greater separation of the wave packets, which reached several microns, or several thousandths of a millimetre.

Inside the vacuum chamber, during each experiment, there are approximately 10,000 cesium atoms. These atoms are too distant to interact directly with each other and are therefore dispersed by the optical lattice into clouds of about 10 atoms each.

Panda explained: “Gravity tries to push them down with a force a billion times greater than the attraction exerted by the mass of tungsten. However, the restoring force of the optical grating holds them, acting as a virtual shelf. For the experiment we divided each atom into two wave packets, creating a superposition of two heights. Next, we loaded each wave packet into a separate lattice site, as if it were a distinct cabinet. At the end of the hold, we turned off the optical grating and the wave packets recombined. In this way, we were able to extract all the quantum information acquired during the experiment."

Panda plans to build his own atomic lattice interferometer at the University of Arizona, where he was just named assistant professor of physics. He hopes to use it, among other things, to more precisely measure the gravitational constant that links the force of gravity with mass.

Meanwhile, Müller and his team are building a new lattice atom interferometer from scratch with better vibration control and lower temperature. The new device could produce results 100 times better than the current experiment, sensitive enough to detect the quantum properties of gravity.

The planned experiment to detect gravitational entanglement, if successful, would be similar to the first demonstration of quantum photon entanglement performed at UC Berkeley in 1972 by the late Stuart Freedman and former postdoctoral fellow John Clauser. Clauser shared the 2022 Nobel Prize in Physics for that work.

Da:

https://reccom.org/gravita-atomi-in-caduta-libera-aprono-nuove-frontiere/