GRASIAN: Shaping and characterization of the cold hydrogen and deuterium beams for the forthcoming first demonstration of gravitational quantum states of atoms

La gravità è la forza che sentiamo in ogni momento, il legame invisibile che tiene i nostri piedi al suolo e gli oceani nei loro bacini. Per secoli, abbiamo compreso la gravità come una trazione fluida e continua, una regola che si applica ugualmente a una mela che cade e a una nuvola che deriva. Ma nel mondo quantistico, dove le regole della fisica cambiano per le particelle più piccole, la gravità si comporta diversamente. Non tira in modo fluido; invece, costringe le particelle in livelli di altezza specifici e discreti, molto simile a una scala dove puoi stare su un piolo ma mai nello spazio tra di essi. Questi sono chiamati stati quantistici gravitazionali. Sebbene gli scienziati abbiano già osservato questo strano comportamento nei neutroni, un nuovo sforzo sta ora cercando di coglierlo negli atomi, un'impresa che potrebbe rivelare se la gravità funzioni allo stesso modo per tutta la materia e persino per l'antimateria.

La collaborazione GRASIAN, un team di fisici provenienti da Austria, Svizzera, Finlandia e Francia, ha costruito una macchina specializzata per osservare questi stati quantistici negli atomi di idrogeno. Il loro obiettivo è creare un fascio di idrogeno che si muova in modo così lento e fluido che gli atomi possano stabilizzarsi in questi invisibili pioli della gravità. Per farlo, devono raffreddare gli atomi vicino allo zero assoluto e guidarli attraverso una serie di aperture strette, filtrando quelli che si muovono troppo velocemente o in modo erratico. La sfida è immensa perché gli atomi sono incredibilmente leggeri e difficili da controllare, e il segnale che producono è facilmente sovrastato dal rumore di fondo causato dalle molecole di gas estranee nella camera a vuoto.

Nel loro ultimo lavoro, il team riferisce progressi significativi nel domare questo ambiente caotico. Hanno iniziato modellando il fascio di idrogeno con una serie di fori e fessure di precisione, restringendo il flusso di atomi a una larghezza di appena due millimetri. Questo processo di collimazione agisce come un setaccio, permettendo solo agli atomi più ordinati di passare. Regolando attentamente l'altezza di queste fessure, i ricercatori possono selezionare atomi con velocità verticali molto specifiche, filtrando quelli che si muovono a solo pochi centimetri al secondo. Questo movimento lento e costante è essenziale, poiché gli atomi più veloci volerebbero semplicemente sopra i pioli quantistici senza mai stabilizzarsi in essi.

Tuttavia, anche con un fascio perfettamente modellato, l'esperimento ha affrontato un ostacolo importante: il rumore di fondo. I rilevatori stavano captando segnali da atomi di idrogeno estranei che erano trapelati nella camera dalle pareti, rendendo difficile distinguere il segnale reale dal rumore. Per risolvere questo problema, il team ha prima provato a sostituire l'idrogeno con il suo cugino più pesante, il deuterio. Poiché il deuterio è più pesante, si muove più lentamente alla stessa temperatura, ed è molto più raro nel sistema a vuoto, il che ha naturalmente ridotto il rumore di fondo. Questo cambio ha migliorato la chiarezza del segnale, permettendo al team di rilevare atomi di deuterio che si muovevano a velocità inferiori a 95 metri al secondo.

Il miglioramento più drammatico è avvenuto quando hanno riprogettato la camera di rilevamento stessa. Hanno installato uno schermo a doppio strato raffreddato da elio liquido, trasformando di fatto l'interno del rilevatore in una criopompa che congela le molecole di gas estranee. Questo cambiamento semplice ma potente ha eliminato quasi interamente il rumore di fondo legato al fascio. Con il rumore soppresso, il team ha rilevato con successo atomi di idrogeno che si muovevano a velocità fino a 72 metri al secondo, una soglia che li porta a portata di mano delle velocità necessarie per osservare gli stati quantistici gravitazionali.

I ricercatori hanno poi utilizzato simulazioni al computer per testare se la loro configurazione attuale sia pronta per l'esperimento finale. Hanno modellato il comportamento degli atomi mentre passano attraverso uno spettrometro gravitazionale, un dispositivo progettato per misurare l'altezza di questi stati quantistici. Le simulazioni hanno mostato che, con le velocità che hanno ora raggiunto, dovrebbero essere in grado di vedere i distinti gradini che segnano la presenza degli stati quantistici gravitazionali. Il team è ora fiducioso che il loro apparato sia pronto per sostituire l'attuale camera di rilevamento con lo spettrometro finale. Se avrà successo, questo esperimento segnerà la prima volta in cui gli stati quantistici gravitazionali vengono osservati negli atomi, aprendo una nuova finestra sulla natura fondamentale della gravità e permettendo potenzialmente ai ricercatori di testare come la gravità agisca sull'antimateria in futuro.