Testata la natura quantistica della gravità

Un team di scienziati ha posizionato migliaia di sensori in un chilometro quadrato vicino al polo sud in Antartide per monitorare i neutrini

Le oscillazioni dei neutrini alle energie più elevate e alle linee di base più lunghe possono essere utilizzate per studiare la struttura dello spaziotempo e testare i principi fondamentali della meccanica quantistica. Se la metrica dello spaziotempo ha una descrizione quantomeccanica, ci si aspetta che le sue fluttuazioni sulla scala di Planck introducano effetti non unitari che sono incoerenti con l’evoluzione temporale unitaria standard della meccanica quantistica. I neutrini che interagiscono con tali fluttuazioni perderebbero la loro coerenza quantistica, deviando dalla composizione del sapore oscillatorio prevista a lunghe distanze e ad alte energie.

La teoria della relatività generale di Einstein spiega che la gravità è causata da una curvatura delle direzioni dello spazio e del tempo. La manifestazione più familiare di ciò è la gravità terrestre, che ci mantiene a terra e spiega perché le palline cadono a terra e gli individui hanno un peso quando salgono su una bilancia.

Nel campo della fisica delle alte energie, invece, gli scienziati studiano minuscoli oggetti invisibili che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica, caratterizzati da fluttuazioni casuali che creano incertezza nelle posizioni e nelle energie di particelle come elettroni, protoni e neutroni. Comprendere la casualità della meccanica quantistica è necessario per spiegare il comportamento della materia e della luce su scala subatomica.

Per decenni, gli scienziati hanno cercato di unire questi due campi di studio per ottenere una descrizione quantistica della gravità. Ciò combinerebbe la fisica della curvatura associata alla relatività generale con le misteriose fluttuazioni casuali associate alla meccanica quantistica.

Un nuovo studio pubblicato su Nature Physics (1) dai fisici dell'Università del Texas ad Arlington riporta una nuova sonda profonda nell'interfaccia tra queste due teorie, utilizzando particelle di neutrini ad altissima energia rilevate da un rilevatore di particelle situato in profondità nel ghiacciaio antartico a sud. palo.

«La sfida di unificare la meccanica quantistica con la teoria della gravitazione rimane uno dei problemi irrisolti più urgenti della fisica», ha affermato il coautore Benjamin James Poyner Jones (2), professore associato di fisica. «Se il campo gravitazionale si comporta in modo simile agli altri campi in natura, la sua curvatura dovrebbe mostrare fluttuazioni quantistiche casuali».

Jones e gli studenti laureati dell'University of Texas at Arlington, il dottor Akshima Negi e il dottor Grant Parker facevano parte di un team internazionale di collaborazione IceCube (3) che comprendeva più di 300 scienziati provenienti da tutti gli Stati Uniti, nonché Australia, Belgio, Canada, Danimarca, Germania, Italia, Giappone, Nuova Zelanda, Corea, Svezia, Svizzera, Taiwan e Regno Unito.

Per cercare le tracce della gravità quantistica, il team ha posizionato migliaia di sensori in un chilometro quadrato vicino al polo sud in Antartide per monitorare i neutrini, particelle subatomiche insolite ma abbondanti che hanno carica neutra e non hanno massa. Il team ha studiato più di 300.000 neutrini. Gli scienziati hanno verificato se queste particelle ad altissima energia fossero disturbate dalle fluttuazioni quantistiche casuali nello spaziotempo che ci si aspetterebbe se la gravità fosse quantomeccanica, mentre viaggiano per lunghe distanze attraverso la Terra.

«Abbiamo cercato quelle fluttuazioni studiando i sapori dei neutrini rilevati dall'Osservatorio IceCube», ha detto Negi. «Il nostro lavoro ha prodotto una misurazione molto più sensibile di quelle precedenti (oltre un milione di volte di più, per alcuni modelli), ma non ha trovato prove degli effetti gravitazionali quantistici attesi».

Questa mancata osservazione della geometria quantistica dello spaziotempo è una potente affermazione sulla fisica ancora sconosciuta che opera all’interfaccia tra fisica quantistica e relatività generale.

«Questa analisi rappresenta il capitolo finale del contributo quasi decennale della UTA all'Osservatorio IceCube», ha affermato Jones. «Il mio gruppo sta ora portando avanti nuovi esperimenti che mirano a comprendere l’origine e il valore della massa dei neutrini utilizzando tecniche di fisica atomica, molecolare e ottica».

Riferimenti:

(1) Search for decoherence from quantum gravity with atmospheric neutrinos

(2) Benjamin James Poyner Jones

(3) IceCube Collaboration team

Descrizione foto: Laboratorio IceCube sotto le stelle in Antartide. - Credit: Martin Wolf, IceCube/NSF.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: UTA scientists test for quantum nature of gravity