Come gli atomi congelati potrebbero aiutarci a imparare di più dalle onde gravitazionali

Il prototipo MORE-100 Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti

Sono passati quattro anni dal primo rilevamento delle onde gravitazionali, quelle strane oscillazioni nello spaziotempo causate dalla collisione di due enormi oggetti nello spazio. La scoperta di quel segnale ha confermato la secolare teoria della relatività generale di Einstein, secondo la quale gli oggetti in accelerazione producono curvature nello spaziotempo che si propagano in onde. Da allora gli scienziati hanno osservato questi segnali dozzine di volte, increspati da molte parti diverse dell'universo e causati da tipi molto diversi di collisioni cosmiche.

Ma da quel primo rilevamento storico, gli scienziati hanno cercato di disarticolare esattamente ciò che tali osservazioni possono dirci sull'universo. Sfortunatamente, tutti hanno una grave limitazione: sono un'istantanea ristretta del momento in cui i due oggetti si scontrano l'uno contro l'altro e poco altro. Peggio ancora, poiché non abbiamo alcun preavviso prima che si verifichino questi eventi, non possiamo nemmeno usare altri strumenti per studiarli. Senza un contesto più ampio, le onde gravitazionali che rileviamo possono dirci solo così tanto prima di esaurire la loro utilità.

La chiave per ottenere di più da questi segnali potrebbe venire da un nuovo esperimento che prende forma in profondità in un pozzo verticale di 100 metri (320 piedi) al Fermilab a Batavia, Illinois. Questo è MAGIS-100, un progetto progettato per vedere se sparare atomi congelati con i laser può essere utilizzato per osservare segnali ultrasensibili che potrebbero estendersi attraverso lo spaziotempo. In caso di successo, potrebbe aiutare a inaugurare una nuova era di interferometria atomica che potrebbe rivelare alcuni dei segreti delle onde gravitazionali, della materia oscura, della meccanica quantistica e di altri argomenti inebrianti.

Ecco come dovrebbe funzionare MAGIS-100: gli atomi vengono raffreddati a una frazione sopra lo zero assoluto (per mantenerli stabili) e quindi fatti cadere in una camera a vuoto alloggiata all'interno dell'albero. Un laser viene pulsato in questa camera tra gli atomi in caduta libera e viene misurato il tempo necessario alla luce per viaggiare dall'uno all'altro. Poiché la luce nel vuoto viaggia a velocità costante, questa volta dovrebbe essere esattamente prevedibile. Qualsiasi ritardo sarebbe presumibilmente causato da segnali esterni sensibili: onde gravitazionali o potenzialmente qualcos'altro.

Questo non è del tutto diverso da come funzionano gli interferometri convenzionali. Al suo interno, MAGIS-100 è una sorta di versione ridotta degli interferometri LIGO che hanno effettuato i primi rilevamenti di onde gravitazionali nel 2015. La differenza è che LIGO utilizza specchi posizionati a diversi chilometri di distanza invece degli atomi. Questi specchi sono suscettibili ai disturbi causati dalle perturbazioni del terreno, il che rende più difficile distinguere i segnali effettivi dai falsi rumori. In teoria, un atomo in caduta libera non sarà influenzato in questo modo.

Il fisico della Stanford University Jason Hogan, uno dei capi del progetto, paragona la tecnologia alla base di MAGIS-100 a un ibrido di un interferometro e un orologio atomico. Questi atomi agiscono fondamentalmente come ottimi cronometri che tengono il tempo sulla propagazione della luce e cercano le fluttuazioni causate da altri segnali, dice.

Il confronto dell'orologio atomico ha senso. Mentre il predecessore di 10 metri di MAGIS-100 utilizzava atomi di rubidio, lo strumento attuale utilizzerà atomi di stronzio, che sono attualmente utilizzati nei migliori orologi atomici del mondo. Sono meno sensibili ai campi magnetici esterni rispetto ad altri atomi, il che significa che perdono un secondo nel corso della vita dell'universo, dice Hogan.

La speranza è che una futura versione più grande di MAGIS-100 sia in grado di captare eventi di onde gravitazionali che non rientrano nell'ambito dei grandi progetti come LIGO o Virgo, che ha sede in Italia.

LIGO si limita a misurare segnali a frequenze comprese tra 10 hertz e 1 kilohertz. Ciò significa che può solo raccogliere eventi di massa come le fusioni tra due buchi neri o due stelle di neutroni . All'inizio di questi eventi, vengono emesse onde gravitazionali a frequenze inferiori a 10 Hz quando gli oggetti iniziano a orbitare l'uno attorno all'altro. Più si avvicinano, più velocemente orbitano (vicino a 300 orbite al secondo), ruotando così velocemente che alla fine producono onde gravitazionali superiori a 10 Hz. Questi eventi di scoppio durano circa 100 secondi prima che la fusione sia completa e le onde gravitazionali si assottigliano a frequenze molto più basse. Ciò che LIGO può vedere in realtà è solo il finale di un lungo processo che inizia con largo anticipo.

L'interferometria atomica, nel frattempo, potrebbe misurare frequenze da 10 Hz fino a 100 MHz o meno. Potrebbe captare onde gravitazionali più piccole emesse mesi o anche un anno prima di un evento di scoppio. Ciò non solo aiuterebbe a rivelare un quadro più completo di come si verificano questi fenomeni più grandi e perché, ma potrebbe avvisare gli scienziati dove e quando accadranno. Ciò guadagnerebbe il tempo per installare apparecchiature in grado di osservarle con altri mezzi, comprese le onde radio, la luce ottica, gli infrarossi, i raggi UV, i raggi X e i raggi gamma.

Il mio scenario da sogno, dice Hogan, è quello di rilevare una sorgente nella banda media, come una stella di neutroni o un binario di un buco nero; capire da dove viene nel cielo; e dare a tutti una data, un'ora e un luogo in cui puntare gli altri strumenti. Potremmo essere in grado di assistere a questa fusione in tempo reale.

Essere in grado di captare queste frequenze più basse potrebbe significare che potrebbero essere studiate anche le onde gravitazionali emesse da fenomeni più silenziosi e meno massicci. Questo potrebbe darci la possibilità di rispondere ad alcune domande cosmologiche su come si è formato e si è evoluto l'universo primordiale, dice Hogan.

Ad esempio, l'interferometria atomica potrebbe anche avere un impatto nella ricerca della materia oscura. Alcune teorie suggeriscono che la materia oscura sia un materiale di massa ultrabassa che si comporta più come un'onda elettromagnetica. La sua presenza potrebbe portare a piccole interazioni che provocherebbero effetti energetici misurabili dell'ordine di circa 1 Hz. Hogan e i suoi colleghi sono ansiosi di verificare se MAGIS-100, o una versione più grande, sia in grado di rilevare questi segnali e possibilmente consentire uno sguardo diretto alla materia oscura stessa.

Hai due obiettivi investigativi che possono essere perseguiti contemporaneamente con lo stesso rivelatore, afferma Oliver Buchmueller, uno dei leader del Osservatorio Atomico Interferometrico e Rete (AION) progetto nel Regno Unito, una proposta simile a MAGIS. È un modo estremamente intrigante per prendere due piccioni con una fava.

Tutto questo per ora è speculativo. MAGIS-100 è solo un prototipo sperimentale. Un interferometro atomico dovrebbe essere lungo più di un chilometro per essere sufficientemente sensibile da fare qualsiasi scoperta relativa alle onde gravitazionali. Hogan dice che lui ei suoi colleghi stanno già elaborando idee per una versione lunga un chilometro e pensando alle versioni satellitari della tecnologia, dove l'interferometria atomica potrebbe davvero brillare.

La fisica del Caltech Rana Adhikari, che lavora su LIGO, avverte che anche se stai usando atomi invece di specchi, hai ancora a che fare con cambiamenti - estremamente piccoli, ma comunque problematici - nel campo gravitazionale terrestre. Un interferometro atomico spaziale, d'altra parte, sarebbe effettivamente lo strumento più sensibile mai costruito, in grado di osservare le onde gravitazionali alle frequenze più basse immaginabili. Questa sarebbe la massima sensibilità raggiunta per questo tipo di scienza, dice Buchmueller.

I ricercatori di Stanford non sono gli unici interessati a questa tecnologia, anche se sono sicuramente in testa al gruppo. Oltre ad AION, i gruppi in Francia e Cina stanno anche sviluppando sistemi di interferometria atomica, anche se con modifiche (in Francia, ad esempio, il dispositivo funziona in orizzontale). Proprio come LIGO utilizza tre diversi rivelatori per confermare i segnali delle onde gravitazionali, Buchmueller spera che questi diversi progetti di interferometria atomica possano convalidare le scoperte reciproche e dimostrare che la tecnologia è il vero affare.

Finora, il team di Stanford sta dando gli ultimi ritocchi al prototipo MAGIS-100 stesso e sta costruendo le fonti di atomi di stronzio. Da parte del Fermilab, l'installazione è in corso. Idealmente, vedremo l'apparato completamente installato nell'estate 2021 e pronto per le operazioni in autunno. I test si svolgeranno nei tre anni successivi.

A lungo termine, Buchmueller pensa che ci sia anche un'opportunità per questo lavoro di influenzare le applicazioni oltre la caccia alle onde gravitazionali. La capacità di costruire sensori così sensibili e ridurli in dispositivi compatti potrebbe eventualmente essere utile per la navigazione navale o per applicazioni militari, afferma.

Potremmo vedere un futuro in cui un dispositivo portatile che può stare in un'auto potrebbe essere utilizzato per assistere nella prospezione petrolifera, cercare guasti strutturali o rilevare terremoti con largo anticipo, afferma Adhikari. Potrebbe essere che l'interferometria atomica e le sue tecnologie spin-off potrebbero rivelarsi molto più vantaggiose per l'umanità a lungo termine, dice.

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