Un esperimento potrebbe permettere ai fisici di “vedere” la gravità per la prima volta
Un gruppo di ricercatori ha proposto un esperimento che potrebbe finalmente permettere di osservare il misterioso “gravitone”, se esso esiste davvero. La gravità è una forza che possiamo osservare facilmente, ad esempio guardando i movimenti delle stelle e dei pianeti attraverso un telescopio. Anche senza un telescopio, basta spingere un oggetto e vederlo cadere per notare gli effetti della gravità. Tuttavia, comprendere il meccanismo sottostante è molto più complicato e ha causato non pochi grattacapi ai fisici per secoli. Il problema principale è che la gravità, a differenza delle altre forze, non è stata ancora quantizzata. Questo significa che possiamo vedere gli effetti della gravità nel mondo macroscopico, come le stelle che influenzano i pianeti, ma non a livello microscopico, cioè a livello delle particelle.
La sfida della quantizzazione della gravità
Le forze fondamentali e le loro particelle mediatrici
Le altre forze fondamentali, come la forza debole e la forza forte, hanno particelle associate che le mediano. La forza debole è mediata dai bosoni W e Z, mentre la forza forte è mediata dai gluoni. Questo ha portato alcuni fisici a credere che anche la gravità, se potesse essere quantizzata, avrebbe una particella mediatrice, chiamata “gravitone”. Sebbene non abbiamo mai osservato un gravitone, i fisici hanno alcune ipotesi su dove potrebbe trovarsi. Ad esempio, si pensa che il gravitone sia privo di massa, dato che la gravità e le onde gravitazionali si propagano alla velocità della luce, che è la velocità a cui devono viaggiare tutte le particelle prive di massa.
Le onde gravitazionali e la difficoltà di rilevare i gravitoni
I rilevatori di onde gravitazionali hanno confermato l’esistenza delle onde gravitazionali e molto altro, ma vedere i singoli gravitoni è molto più difficile. “Questo è un esperimento fondamentale che si pensava fosse impossibile, ma crediamo di aver trovato un modo per farlo”, ha spiegato Igor Pikovski, professore di fisica presso il Stevens Institute of Technology. L’esperimento proposto, sebbene richieda apparecchiature estremamente sensibili, è sorprendentemente semplice e utilizza un risonatore acustico e metodi di rilevamento dello stato energetico noti come “sensori quantistici”.
Il principio dell’esperimento
Il fotoelettrico effetto e il gravito-fononico effetto
“La nostra soluzione è simile all’effetto fotoelettrico che ha portato Einstein alla teoria quantistica della luce,” spiega Pikovski, “solo che in questo caso le onde gravitazionali sostituiscono le onde elettromagnetiche. La chiave è che l’energia viene scambiata tra il materiale e le onde solo in passi discreti: i singoli gravitoni vengono assorbiti ed emessi.” Nell’esperimento, un cilindro massiccio di alluminio verrebbe raffreddato al suo stato quantistico più basso. Quando un’onda gravitazionale, proveniente da un grande evento astronomico come la fusione di buchi neri, passa attraverso il cilindro, questo dovrebbe essere distorto. Misurando la vibrazione del cilindro, il team ritiene che dovrebbe essere possibile vedere minimi cambiamenti di energia mentre i gravitoni vengono assorbiti.
Le osservazioni dei salti quantistici
“Osservando questi salti quantistici nel materiale, possiamo dedurre che un gravitone è stato assorbito,” ha aggiunto Germain Tobar, uno studente laureato presso l’Università di Stoccolma coinvolto nello studio. “Lo chiamiamo ‘effetto gravito-fononico’.” Sebbene questa sia un’idea promettente per la ricerca del gravitone, purtroppo non siamo ancora arrivati a quel punto. “I salti quantistici sono stati osservati nei materiali recentemente, ma non ancora alle masse di cui abbiamo bisogno,” spiega Tobar. “Ma la tecnologia avanza molto rapidamente e abbiamo altre idee su come renderlo più facile.”
Prospettive future
Le sfide tecnologiche
Le sfide tecnologiche per rilevare i gravitoni sono ancora molte. La sensibilità richiesta per l’apparecchiatura è estremamente alta e le masse dei materiali devono essere adeguate. Tuttavia, con i rapidi progressi nella tecnologia, è possibile che queste difficoltà possano essere superate in un futuro non troppo lontano. La ricerca continua a esplorare nuove metodologie e tecniche per migliorare la sensibilità e l’accuratezza degli esperimenti.
Implicazioni per la fisica
Se l’esperimento proposto dovesse avere successo, le implicazioni per la fisica sarebbero enormi. La scoperta del gravitone confermerebbe la quantizzazione della gravità e aprirebbe nuove strade per la comprensione delle forze fondamentali dell’universo. Potrebbe anche fornire nuove informazioni sulla natura delle onde gravitazionali e sui fenomeni astronomici che le generano. Inoltre, potrebbe portare a sviluppi tecnologici in campi come la fisica quantistica e l’astrofisica. Forse un giorno non troppo lontano potremo trovare, o forse escludere o porre vincoli, al misterioso gravitone. Lo studio è stato pubblicato su Nature Communications.
