Projected sensitivity of a spinor Bose-Einstein condensate comagnetometer to proton monopole-dipole interactions

Nel vasto panorama della fisica moderna, il Modello Standard funge da nostra migliore mappa dell'universo, catalogando le particelle fondamentali che compongono tutto ciò che vediamo. Eppure, questa mappa presenta delle lacune. Non spiega perché l'universo sia fatto di materia piuttosto che di antimateria, né tiene conto della sostanza invisibile nota come materia oscura. I fisici sospettano che, nascoste all'interno di queste lacune, vi siano nuove particelle leggere che non sono mai state osservate direttamente. Tra i candidati più promettenti figurano gli ipotetici bosoni scalari (spin-zero), particelle che potrebbero agire come messaggeri tra la materia ordinaria e l'oscuro settore oscuro. Se queste particelle esistessero, creerebbero una forza molto strana: una che dipende dall'orientamento dello spin di una particella, una proprietà simile a quella di una minuscola bussola interna. Questa forza violerebbe le simmetrie fondamentali della natura, comportandosi diversamente se il tempo venisse invertito o se l'universo venisse visto in uno specchio. Rilevare una tale forza sarebbe una scoperta monumentale, capace di riscrivere la nostra comprensione del cosmo e di rivelare la natura della materia oscura.

Per dare la caccia a queste particelle elusive, i ricercatori si sono rivolti a un esperimento altamente sensibile che coinvolge una nuvola di atomi raffreddati a temperature vicine allo zero assoluto. In uno studio recente, gli scienziati hanno proposto l'uso di uno stato speciale della materia chiamato condensato di Bose-Einstein, dove migliaia di atomi perdono le loro identità individuali e si comportano come un'unica onda coerente. Nello specifico, si sono concentrati su una nuvola di atomi di rubidio, che possono esistere in due diversi stati energetici interni simultaneamente. Questi due stati agiscono come una coppia di orologi sincronizzati che ticchettano in direzioni opposte quando esposti a un campo magnetico, ma ticchettano nella stessa direzione se esposti alla forza esotica predetta dalle nuove particelle. Confrontando il comportamento di questi due stati, i ricercatori possono cancellare il rumore travolgente del campo magnetico terrestre e isolare il segnale minuscolo e sottile della nuova interazione.

L'esperimento si basa su un blocco denso e isolante di germanato di bismuto, un materiale scelto perché è abbastanza pesante da generare un segnale forte ma non crea il rumore elettrico tipico dei metalli. Questo blocco è posizionato a soli cinquanta micrometri sotto la nuvola di atomi — una distanza così piccola da essere inferiore alla larghezza di un capello umano. I ricercatori hanno calcolato che, se riuscissero a eseguire questo esperimento per una settimana, la loro configurazione sarebbe abbastanza sensibile da rilevare l'interazione tra i protoni nel blocco sorgente e i protoni all'interno degli atomi. I risultati della loro analisi suggeriscono che questo metodo potrebbe migliorare i limiti di laboratorio esistenti di un fattore di 5.000 in uno scenario aggiornato, e di un fattore superiore a 300.000 nello scenario più ottimistico limitato dal regime quantistico, per specifici intervalli di massa delle particelle. Nello scenario più ottimistico, in cui l'esperimento raggiunge i limiti fondamentali della meccanica quantistica, la sensibilità potrebbe migliorare di un fattore superiore a 300.000, sondando un intervallo di distanze da alcuni micrometri a alcuni millimetri.

La chiave di questa estrema sensibilità risiede nel design ingegnoso della misurazione. Gli atomi di rubidio sono preparati in modo da creare due gruppi distinti, o manifold, che precessano, o oscillano, attorno a un asse magnetico. Un campo magnetico causerebbe l'oscillazione di questi due gruppi in direzioni opposte, annullandosi efficacemente quando i loro segnali vengono combinati. Tuttavia, la forza ipotetica delle nuove particelle spingerebbe entrambi i gruppi nella stessa direzione, facendo sì che i loro segoli si sommino. Ciò consente ai ricercatori di sottrarre il rumore magnetico mentre amplificano il segnale esotico. Per garantire l'accuratezza, il team prevede di spostare ripetutamente il blocco sorgente dentro e fuori dalla posizione, confrontando i risultati per cancellare qualsiasi effetto che non dipenda dalla posizione del blocco. Prevedono inoltre di invertire la direzione del campo magnetico per eliminare altre potenziali fonti di errore.

Lo studio delinea due percorsi specifici da seguire. Il primo, una versione aggiornata del loro apparato attuale, include miglioramenti come uno schermo magnetico migliore e un modo più efficiente per caricare gli atomi nella trappola. Questa versione è proiettata a raggiungere una sensibilità che permetterebbe loro di testare l'esistenza di queste particelle con un alto grado di fiducia. Il secondo percorso, più ambizioso, mira al limite ultimo di precisione consentito dalle leggi della meccanica quantistica. Ciò richiederebbe ulteriori affinamenti, come l'estensione del tempo in cui gli atomi possono essere trattenuti nella trappola e la riduzione del rumore derivante dal processo di misurazione stesso. Anche con l'attrezzatura attuale, non ancora aggiornata, i ricercatori credono di poter già migliorare i limiti esistenti per distanze comprese tra venti e trecento micrometri.

Se queste particelle esistono, la forza che mediano sarebbe incredibilmente debole, decadendo rapidamente all'aumentare della distanza tra la sorgente e gli atomi. I ricercatori hanno calcolato che la loro configurazione sarebbe più efficace nel rilevare particelle con masse comprese tra 0,3 e 50 milionesimi di elettronvolt, un intervallo che corrisponde a distanze di interazione di circa cento micrometri. A questa scala, l'esperimento sarebbe in grado di sondare l'interazione tra i protoni nella sorgente e i protoni negli atomi con una precisione mai raggiunta prima. Gli autori sottolineano che, sebbene i limiti attuali su tali interazioni si basino su dati provenienti da altri esperimenti, tali limiti si basano su modelli complessi di nuclei atomici che introducono una significativa incertezza. Utilizzando un singolo tipo di atomo in cui il ruolo del protone è ben compreso, questo nuovo approccio offre un modo diretto e più pulito per cercare la forza.

L'esperimento proposto rappresenta un passo significativo avanti nella ricerca della fisica oltre il Modello Standard. Combinando la precisione dei sensori quantistici con un metodo ingegnoso per cancellare il rumore, i ricercatori hanno tracciato una via per esplorare un territorio precedentemente inesplorato. Sebbene la rilevazione di queste particelle rimanga una possibilità piuttosto che una certezza, la sensibilità della configurazione proposta significa che, se la forza esiste nell'intervallo previsto, sarà probabilmente trovata. Se la forza non dovesse esistere, l'esperimento fornirà comunque informazioni cruciali, escludendo una vasta gamma di modelli teorici e restringendo la ricerca dei pezzi mancanti del nostro puzzle cosmico. Il lavoro è una testimonianza del potere dell'uso delle proprietà strane e meravigliose della meccanica quantistica per rispondere alle domande più profonde sulla natura della realtà.