Dark-field Search for Quantum Vacuum Signals in the Low-Energy Regime

La luce, nella nostra esperienza quotidiana, attraversa l'altra luce senza accorgersene. Due fasci di torcia che si incrociano in una stanza buia non rimbalzano l'uno contro l'altro; semplicemente si sovrappongono e proseguono i loro percorsi. Questo accade perché i fotoni, le particelle che compongono la luce, non possiedono carica elettrica e, in circostanze normali, non interagiscono tra loro. Tuttavia, le leggi della fisica quantistica, che governano il comportamento dell'universo alle sue scale più piccole, prevedono una storia diversa. Secondo queste leggi, la luce può interagire con la luce, ma solo indirettamente. Quando due fasci di luce collidono, possono creare brevemente una coppia fugace di particelle virtuali — un elettrone e il suo gemello di antimateria, un positrone — prima di svanire di nuovo. Questa breve esistenza permette ai fotoni di diffondersi l'uno verso l'altro, un fenomeno noto come scattering luce-luce. Sebbene questo effetto sia stato osservato in collisioni ad alta energia che coinvolgono nuclei atomici pesanti, non è mai stato visto direttamente in un esperimento controllato utilizzando solo fasci di luce a basse energie. Trovare questo segnale nel regime a bassa energia è un obiettivo fondamentale per i fisici perché permetterebbe di misurare le costanti fondamentali che descrivono come il vuoto stesso dello spazio si comporti sotto l'influenza di forti campi elettromagnetici.

Un team di ricercatori ha recentemente condotto un esperimento massiccio per dare la caccia a questo segnale elusivo utilizzando l'European XFEL, un potente impianto di laser a raggi X in Germania. Hanno impostato una collisione tra un fascio di fotoni a raggi X ad alta energia e un fascio focalizzato di intensa luce laser a infrarossi. La sfida era immensa: il segnale che stavano cercando è incredibilmente debole, sepolto sotto una montagna di rumore di fondo proveniente dal fascio di raggi X principale che non è stato diffuso affatto. Per risolvere il problema, gli scienziati hanno impiegato una tecnica ingegnosa chiamata imaging a "campo oscuro". Immaginate di cercare di vedere una stella fioca nel cielo diurno; non potete farlo guardando direttamente il sole. Invece, blocchereste il sole con la mano, creando un'ombra, e cerchereste la stella fioca che appare nell'oscurità di quell'ombra. I ricercatori hanno fatto qualcosa di simile con la luce. Hanno posizionato un sottile filo nel percorso del fascio di raggi X per bloccarne il centro, creando un "ombra" nel fuoco del fascio. Hanno poi disposto l'esperimento in modo che i raggi X non diffusi venissero bloccati da un piccolo foro in uno schermo, mentre qualsiasi luce che fosse stata diffusa dal laser — cambiando leggermente la sua direzione — sarebbe passata attraverso quel foro.

Per catturare la luce diffusa, il team ha utilizzato un cristallo speciale che agisce come un filtro per l'orientamento delle onde luminose. Se la luce fosse rimbalzata sul laser e avesse cambiato la sua polarizzazione, il cristallo l'avrebbe diretta verso un rilevatore; se avesse mantenuto la sua orientazione originale, sarebbe andata verso un altro. Contando i fotoni in questi due canali, il team poteva distinguere il raro segnale diffuso dall'eccessivo rumore di fondo della luce non diffusa. Hanno eseguito questo esperimento 2.751 volte, tracciando attentamente il momento e la posizione precisi in cui i due fasci laser collidevano per ogni singolo scatto. I fasci non erano perfettamente allineati ogni volta, quindi i ricercatori hanno utilizzato diagnostiche avanzate per misurare i minimi spostamenti di posizione e di tempo, permettendo loro di calcolare esattamente quanto segnale avrebbe dovuto essere prodotto in ogni collisione.

Dopo aver analizzato i dati di migliaia di collisioni, i ricercatori non hanno trovato alcun eccesso di fotoni rispetto al rumore di fondo previsto. In altre parole, non hanno visto il segnale di scattering luce-luce che stavano cercando. Tuttavia, questo risultato nullo è un traguardo significativo. Dimostrando che il segnale non era presente a un certo livello, sono stati in grado di stabilire un nuovo, incredibilmente rigoroso limite superiore su quanto spesso questo scattering possa accadere. Il loro risultato mostra che la probabilità che la luce si diffonda sulla luce a queste basse energie è inferiore a 70.000 volte il valore previsto dalla teoria standard dell'elettrodinamica quantistica. Questo è un miglioramento di dieci ordini di grandezza rispetto ai limiti sperimentali precedenti, rendendolo il test più sensibile di questo fenomeno mai condotto in un ambiente di laboratorio.

L'esperimento ha anche dimostrato che l'approccio a campo oscuro è uno strumento potente per separare il segnale dal rumore. Il team ha dimostrato di poter sopprimere il fascio di raggi X principale di un fattore di circa quattro trilioni pur rimanendo sensibile al debole segnale. Sebbene il segnale non sia stato rilevato in questa prima corsa, lo studio ha provato che l'allestimento è capace di raggiungere la sensibilità necessaria per una scoperta. I ricercatori hanno identificato diversi modi per migliorare l'esperimento in futuro, come l'uso di un laser più potente e di ottiche migliori, che potrebbero aumentare significativamente la forza del segnale. Con questi miglioramenti, la rilevazione dei segnali del vuum quantistico nel regime a bassa energia potrebbe diventare una realtà, aprendo una nuova finestra sulla natura fondamentale della luce e del vuoto spaziale.