Constraining Lorentz Invariance Violation via Precision Atomic Spectroscopy

Per decenni, i fisici hanno cercato un modo per colmare il divario tra due grandi teorie dell'universo. Una teoria, la meccanica quantistica, spiega come si comportano le particelle più piccole, mentre l'altra, la relatività generale, descrive come la gravità modella il cosmo. Questi due quadri teorici funzionano perfettamente singolarmente, ma entrano in conflitto quando gli scienziati cercano di combinarli in una singola teoria della gravità quantistica. Gli effetti di questa teoria mancante si prevede siano incredibilmente piccoli, nascosti dietro una barriera di energia così immensa da essere nota come scala di Planck. Poiché questi effetti sono così piccoli, sono solitamente impossibili da rilevare con la tecnologia attuale. Tuttavia, un numero crescente di ricercatori ritiene che, se si guardasse abbastanza attentamente ai sistemi giusti, si potrebbero trovare sottili crepe nelle regole fondamentali della natura, come il principio secondo cui le leggi della fisica rimangono le stesse indipendentemente da come ci si muove o da dove ci si trova nello spazio.

Un team di ricercatori in Brasile ha recentemente esaminato questo problema con una nuova prospettiva, studiando gli atomi più semplici esistenti: l'idrogeno. Si sono concentrati su due versioni di questo atomo. La prima è l'atomo di idrogeno standard, dove un singolo elettrone orbita attorno a un protone. La seconda è una rara e più pesante versione, l'idrogeno muonico, dove l'elettrone è sostituito da un muone, una particella che è circa duecento volte più pesante di un elettrone. Confrontando il comportamento di questi due atomi, gli scienziati speravano di individuare una minuscola deviazione che segnalerebbe una violazione dell'invarianza di Lorentz, una simmetria fondamentale dell'universo che afferma che le leggi fisiche non cambiano in base alla direzione o alla velocità. Se tale violazione esistesse, sarebbe un'impronta diretta della gravità quantistica, rivelando che lo spazio e il tempo non sono perfettamente lisci, ma hanno una struttura granulosa alle scale più piccole.

I ricercatori hanno affrontato questa sfida trattando l'atomo di idrogeno come un preciso strumento di laboratorio. Hanno costruito un modello matematico che permetteva una leggera modifica nel modo in cui energia e quantità di moto si relazionano tra loro, un concetto noto come relazione di dispersione modificata. In questo modello, la relazione tra la velocità di una particella e la sua energia è ritoccata da un numero specifico che rappresenta la forza dell'effetto della gravità quantistica. Il team ha poi confrontato questo modello con una vasta collezione delle misurazioni più precise mai effettuate sui livelli energetici dell'idrogeno. Queste misurazioni includono le frequenze della luce assorbita o emessa quando l'atomo salta tra diversi stati energetici, registrate con un'accuratezza così elevata che l'incertezza si misura in pochi kilohertz. Sono stati inclusi anche dati dall'idrogeno muonico, che è particolarmente sensibile alle dimensioni del protone, il nucleo centrale dell'atomo.

Per dare un senso a questi dati, gli scienziati hanno dovuto navigare in una complessa rete di incertezze. Le misurazioni dei livelli energetici dell'idrogeno dipendono da altre costanti fondamentali, come la costante di Rydberg, che stabilisce la scala per l'energia atomica, e il raggio del protone. Esiste un noto disaccordo nella comunità scientifica riguardo alle dimensioni esatte del protone, con esperimenti diversi che producono risultati leggermente differenti. Il team ha tenuto conto con cura di queste discrepanze, trattando le incertezze nella costante di Rydberg e nel raggio del protone come variabili da regolare insieme al loro nuovo parametro di gravità quantistica. Hanno utilizzato un potente metodo statistico per setacciare i dati, cercando la combinazione di valori che spiegasse meglio tutte le misurazioni simultaneamente. Questo approccio ha permesso loro di vedere se i dati puntassero verso un valore non nullo per il loro parametro di gravità quantistica o se i risultati fossero coerenti con le leggi standard della fisica.

L'analisi ha rivelato che i dati non supportano l'esistenza di una violazione rilevabile dell'invarianza di Lorentz al livello di precisione attualmente disponibile. Invece di trovare un segnale chiaro, i ricercatori hanno stabilito un confine rigoroso per il luogo in cui tale segnale potrebbe potenzialmente nascondersi. Hanno determinato che il parametro che rappresenta l'effetto della gravità quantistica deve rientrare in un intervallo specifico, centrato vicino allo zero, con un livello di confidenza del novantacinque percento. In termini più semplici, se l'effetto esiste, è così piccolo da essere attualmente indistinguibile dallo zero date le fluttuazioni nelle misurazioni. Lo studio ha anche evidenziato come la massa delle particelle coinvolte modifichi la sensibilità dell'esperimento. Per gli effetti di ordine inferiore, il pesante protone nel nucleo amplifica il segnale, facendo agire l'intero atomo come una sonda più grande. Tuttavia, per gli effetti di ordine superiore, la leggerezza della particella orbitante, sia essa un elettrone o un muone, diventa il fattore dominante.

Uno dei risultati più significativi della ricerca è il ruolo dei dati dell'idrogeno muonico nel chiarire i risultati. Poiché il muone è molto più pesante, orbita molto più vicino al protone, rendendo l'atomo estremamente sensibile alle dimensioni del protone. Questa sensibilità ha permesso ai ricercatori di usare i dati del muone per "ancorare" il raggio del protone nella loro analisi, aiutando a gestire la tensione tra le diverse misurazioni delle dimensioni del protone che è stata un enigma per anni. L'articolo nota che l'effetto della relazione di dispersione modificata sullo shift di Lamb del muone è trascurabile rispetto alle incertezze sperimentali, il che significa che i dati del muone vincolano principalmente il raggio del protone piuttosto che il nuovo parametro fisico. Ancorando le dimensioni del protone con i dati del muone, il team ha potuto isolare la ricerca degli effetti della gravità quantistica in modo più pulito che mai. Hanno scoperto che la tensione tra le diverse misurazioni delle dimensioni del protone non è risolta dall'introduzione di un nuovo effetto di gravità quantistica; piuttosto, i set di dati rimangono mutuamente inconsistenti e l'inclusione del nuovo parametro non rende accettabile l'aggiustamento statistico. Di conseguenza, il modello standard della fisica, senza alcuna modifica all'invarianza di Lorentz, rimane la descrizione statisticamente valida della realtà.

Lo studio conclude che, sebbene l'attuale generazione di spettroscopia atomica sia incredibilmente potente, non ha ancora raggiunto la sensibilità necessaria per vedere la struttura granulosa dello spaziotempo prevista dalle teorie della gravità quantistica. I vincoli che hanno stabilito sono notevolmente vicini alla scala di Planck, il livello di energia dove ci si aspetta che appaiano questi effetti, ma non ci sono ancora arrivati. I ricercatori sottolineano che il loro lavoro dimostra il potenziale dell'uso degli atomi più semplici per testare le teorie più complesse dell'universo. Suggeriscono che, se le incertezze nella costante di Rydberg e nel raggio del protone potessero essere ulteriormente ridotte in esperimenti futuri, la spettroscopia atomica potrebbe diventare uno strumento pienamente capace di scrutare la scala di Planck. Per ora, l'universo continua a custodire i suoi segreti, ma la ricerca è stata ristretta con una precisione maggiore che in passato.