Precision tests of nonlinear and stochastic modifications of quantum mechanics with a 1D quantum gas

Al cuore della fisica moderna risiede una regola semplice e potente che descrive come le particelle si muovano e cambino nel tempo. Per quasi un secolo, questa regola, nota come equazione di Schrödinger, ha predetto con successo il comportamento di tutto, dagli atomi alle stelle. Eppure, un profondo mistero rimane: la regola funziona perfettamente per le particelle minuscole, ma sembra interrompersi quando guardiamo oggetti più grandi. Nel mondo quotidiano, le cose hanno posizioni definite e non esistono in più stati contemporaneamente, ma la regola suggerisce che dovrebbero. I fisici si sono a lungo chiesti se la regola sia un'approssimazione incompleta di una verità più profonda e fondamentale. Per scoprirlo, i ricercatori stanno testando due idee principali. Una suggerisce che l'universo sia riempito da un debole rumore di fondo casuale che spinge delicatamente le particelle verso stati definiti, forzando efficacemente il "collasso" della loro natura quantistica sfocata. L'altra propone che la regola stessa contenga una torsione deterministica nascosta che cambia il modo in cui le particelle interagiscono, anche senza alcun rumore esterno. Dimostrare una di queste idee riscriverebbe la nostra comprensione della realtà, collegando potenzialmente il mondo quantistico alla gravità e alla natura dello spazio stesso.

Un team di ricercatori in Austria, lavorando con colleghi in Italia, Spagna e Cina, ha progettato un nuovo esperimento per dare la caccia a queste sottili deviazioni utilizzando una nuvola di atomi estremamente freddi. Propongono di intrappolare migliaia di atomi di cesio all'interno di una griglia di luce, creando un vasto array di tubi monodimensionali dove gli atomi sono costretti a muoversi in fila indiana. Raffreddando questi atomi a temperature appena superiori allo zero assoluto, gli scienziati possono spingerli in uno stato strano e altamente correlato in cui si comportano come un unico fluido unificato. In questo stato, gli atomi sono così sensibili che anche il minimo sussurro di una nuova fisica potrebbe far loro perdere energia o cambiare il loro ritmo. Il team intende utilizzare due metodi distinti per ascoltare questi sussurri. Primo, cercheranno il "rumore" casuale previsto dalle teorie del collasso osservando come gli atomi si scaldano e si disperdono. Secondo, testeranno i cambiamenti deterministici misurando la frequenza precisa con cui il gas "respira", espandendosi e contraendosi nella sua trappola.

I ricercatori sono particolarmente interessati a una specifica fase della materia chiamata gas super-Tonks-Girardeau. Questo è uno stato metastabile, il che significa che è come una palla in equilibrio su una collina; è stabile per un po', ma una piccola spinta può farla rotolare giù in una configurazione diversa. Il team intende creare questo stato cambiando rapidamente le forze tra gli atomi, spingendoli in una condizione altamente eccitata e attrattiva. In questo stato delicato, gli atomi sono tenuti insieme da forti correlazioni che impediscono loro di raggrupparsi. Se esistesse un campo di rumore universale, come prevedono alcune teorie, esso disturberebbe queste correlazioni, causando il riscaldamento del gas e la perdita degli atomi dalla trappola. Poiché gli atomi sono disposti in lunghi tubi uniformi, i ricercatori possono regolare la distanza tra loro con estrema precisione. Si aspettano che, se il campo di rumore fosse reale, gli atomi perdano energia più rapidamente quando la distanza tra loro corrisponde a una scala specifica relativa al rumore stesso. Ciò creerebbe una risonanza distinta, un segnale chiaro che si distingue dal rumore di fondo degli errori sperimentali ordinari.

Per garantire che le loro misurazioni siano abbastanza nitide da rilevare effetti così deboli, il team ha delineato un piano per migliorare l'attuale configurazione in quattro modi chiave. Prepareranno gli atomi con un controllo perfetto, assicurandosi che ogni tubo contenga esattamente lo stesso numero di particelle, eliminando così una grande fonte di incertezza. Conduceranno l'esperimento per periodi molto più lunghi, approfittando del fatto che la loro nuova configurazione mantiene gli atomi stabili per diversi secondi, molto più a lungo dei tentativi precedenti. Ripeteranno la misurazione migliaia di volte per mediare le fluttuazioni casuali e scansioneranno un ampio intervallo di distanze tra gli atomi per trovare il punto specifico in cui il segnale raggiunge il picco. Sulla base di questi miglioramenti, il team prevede di poter rilevare un tasso di collasso anche di 1,8 × 10⁻¹¹ per secondo. Questo livello di sensibilità sarebbe circa dieci volte migliore dei limiti esistenti più forti che rimangono robusti rispetto ai loophole teorici, spingendo i confini di ciò che è noto sulla stabilità della meccanica quantistica.

Oltre a cercare il rumore casuale, l'esperimento offre un modo unico per testare i cambiamenti deterministici nelle leggi della fisica. I ricercatori si concentreranno sul "modo di respirazione" del gas, ovvero il ritmo con cui l'intera nuvola si espande e si contrae quando disturbata. Nel mondo quantistico ideale, questo ritmo è bloccato a un valore specifico determinato dalla forma della trappola. Se l'equazione di Schrödinger contiene un termine non lineare nascosto, come suggeriscono alcune teorie, questo ritmo subirebbe un leggero spostamento. La bellezza di questo approccio è che lo spostamento causato dalla nuova fisica cambierebbe in modo prevedibile al variare del numero di atomi, mentre gli errori causati dall'attrezzatura sperimentale cambierebbero in modo diverso. Confrontando attentamente come il ritmo si sposta all'aumentare o diminuire degli atomi, il team può separare un segnale genuino dal rumore tecnico. Stimano che questo metodo potrebbe migliorare i limiti attuali sugli effetti non lineari di oltre dieci volte, offrendo un test pulito e indipendente dal modello dell'equazione fondamentale.

Il proporre esperimento rappresenta un salto significativo nella ricerca di nuova fisica, passando da vincoli indiretti a una sonda diretta e di alta precisione del regno quantistico. Utilizzando le proprietà uniche dei gas quantistici monodimensionali, i ricercatori hanno creato una piattaforma che è allo stesso tempo incredibilmente sensibile e altamente controllabile. Se le loro proiezioni saranno confermate, questo esperimento da banco potrebbe confermare che le regole standard della meccanica quantistica reggono fermamente anche alle scale più estreme, oppure potrebbe rivelare le prime crepe nelle fondamenta delle nostre teorie fisiche. La capacità di distinguere tra rumore casuale e cambiamenti deterministici, e di farlo con un livello di precisione un ordine di grandezza superiore alle capacità attuali, rende questa proposta uno strumento potente per esplorare le domande più profonde dell'universo. Che il risultato sia una conferma dello status quo o la scoperta di una nuova forza, l'esito fornirà una risposta definitiva a una domanda che ha tormentato i fisici per generazioni.