Cosmic muon arrival directions as a source of entropy

Negli angoli silenziosi della fisica, esiste una pioggia costante e invisibile di particelle che cade dal cielo. Si tratta dei muoni cosmici, frammenti subatomici nati quando particelle ad alta energia provenienti dallo spazio profondo si scontrano con l'atmosfera terrestre. Non sono solo rumore casuale; sono i resti di violenti eventi cosmici, che viaggiano quasi alla velocità della luce. Per decenni, gli scienziati hanno usato queste particelle per studiare l'universo, ma una nuova linea di ricerca pone una domanda diversa: può il percorso imprevedibile di un singolo muone essere utilizzato per creare una casualità perfetta? Questa è una questione di immenso valore pratico. Nel mondo digitale, la casualità è il fondamento della sicurezza. Protegge i nostri conti bancari, mette in sicurezza le nostre comunicazioni e sostiene i test che verificano le strane leggi della meccanica quantistica. Sebbene i computer possano simulare la casualità, sono in ultima analisi macchine prevedibili. Per ottenere una casualità vera e indistruttibile, gli scienziati devono rivolgersi al mondo fisico, trovando una fonte di caos che nessun algoritmo potrà mai prevedere.

Un ricercatore della Central University of Karnataka ha ora dimostrato che la direzione di arrivo di questi muoni fornisce esattamente una tale fonte. Utilizzando un rilevatore originariamente costruito per aiutare la progettazione di un massiccio osservatorio di neutrini, ha tracciato i percorsi di milioni di muoni nell'arco di sei mesi. Il rilevatore, una pila di grandi piastre riempite di gas, ha registrato l'angolo preciso con cui ogni particella è passata attraverso di esso. Il ricercatore ha scoperto che questi angoli non sono solo casuali; sono una ricca e inesplorata fonte di entropia, o disordine, che può essere convertita in bit digitali. Analizzando i dati, ha dimostrato che ogni singolo tracciato di muone può generare fino a quattro bit di informazione casuale di alta qualità. Questa è una scoperta significativa perché dimostra che la direzione da cui arriva una particella è utile per generare casualità tanto quanto il momento in cui arriva, un metodo che era già stato utilizzato in precedenza.

L'esperimento si è basato su una configurazione specifica situata a Mumbai, in India. Il dispositivo era una torre di dodici strati di camere a piastre resistive, ciascuna di un metro quadrato. Queste camere sono essenzialmente rilevatori simili a un sandwich, riempiti con un gas speciale. Quando un muone attraversa il gas, lascia una scia di segnali elettrici sulle strisce di rame che rivestono le piastre. Osservando quali strisce si sono attivate in ogni strato, il ricercatore è riuscito a ricostruire l'esatta traiettoria del muone, calcolando il suo angolo zenitale, che indica quanto fosse ripida la sua discesa, e il suo angolo azimutale, che indica la direzione della bussola da cui proveniva. In un periodo di circa 55 giorni, il sistema ha registrato quasi 138 milioni di eventi. Tuttavia, non tutti erano utili. Il rilevatore era un prototipo e alcuni dei suoi strati erano rumorosi o malfunzionanti. Il ricercatore ha dovuto filtrare attentamente i dati, rimuovendo gli eventi che sembravano glitch elettronici o particelle che avevano subito troppi urti, ottenendo così un set pulito di circa 5,6 milioni di tracciati di muoni da analizzare.

Una volta puliti i dati, il ricercatore ha affrontato la sfida di trasformare questi angoli in numeri. Ha diviso i possibili angoli in piccoli bin, o contenitori, e ha assegnato uno zero o un uno a seconda del contenitore in cui cadeva un muone. Inizialmente, ha riscontrato un leggero squilibrio nei risultati; la distribuzione non era perfettamente uniforme, probabilmente a causa della struttura dell'edificio sopra il rilevatore o di piccoli difetti dell'attrezzatura. Per correggere questo aspetto, ha applicato un processo di condizionamento matematico, mescolando essenzialmente i bit tra loro per eliminare il bias. Questo passaggio ha ridotto leggermente la quantità di dati, ma ha garantito che l'output finale fosse veramente casuale. Il risultato è stato un flusso di bit che ha superato i rigorosi test statistici progettati dal National Institute of Standards and Technology, il gold standard per la casualità.

Lo studio ha rivelato che questo metodo è altamente efficiente. Ogni tracciato di muone ha prodotto un valore di entropia vicino a un bit per bit, il che significa che l'informazione era quasi perfettamente imprevedibile. Con l'attuale dimensione del rilevatore, il sistema genera numeri casuali a una velocità di circa 650 bit al secondo. Il ricercatore ha notato che questo tasso non è il limite; se costruissero un rilevatore più grande, ad esempio di due metri per due metri, la velocità potrebbe salire a circa 2.500 bit al secondo. Hanno anche esplorato modi per estrarre più dati da ogni particella utilizzando strategie di binning più complesse, ma hanno scoperto che forzare troppo la mano introduceva errori che rendevano i dati inadatti ai test di casualità. Il punto di equilibrio, hanno scoperto, era l'utilizzo di un metodo specifico che produceva quattro bit per tracciato di muone senza compromettere la qualità.

Oltre alla crittografia, questo lavoro apre una porta per gli esperimenti di fisica fondamentale. Una delle più grandi sfide nel testare la meccanica quantistica è il loophole della "libertà di scelta", uno scenario in cui le impostazioni di un esperimento potrebbero essere segretamente influenzate dalle particelle stesse che vengono misurate. Per chiudere questo loophole, gli scienziati devono scegliere le impostazioni dei loro esperimenti utilizzando una fonte di casualità che sia completamente indipendente dall'esperimento. Mentre alcune proposte suggeriscono l'uso della luce proveniente da lontani quasar per questo scopo, il nuovo studio suggerisce che i muoni cosmici potrebbero svolgere lo stesso ruolo. Il ricercatore ha calcolato che, se due rilevatori fossero posizionati lontani, la probabilità che entrambi catturino un muone nello stesso identico momento per compiere una scelta sarebbe molto bassa con dispositivi piccoli. Tuttavia, se i rilevatori fossero molto più grandi, diciamo cinque metri per cinque metri, la probabilità di una rilevazione simultanea salirebbe a quasi la metà, rendendo la configurazione uno strumento valido per questi profondi test.

I risultati servono come prova di principio che il cielo stesso può essere un generatore di perfetta casualità. Il lavoro non sostiene di aver risolto tutti i problemi relativi alla generazione di numeri casuali, né suggerisce che questo specifico rilevatore sia pronto per l'uso commerciale. Invece, dimostra un percorso chiaro da seguire. Dimostrando che la direzione di una particella cosmica è una fonte affidabile di entropia, il ricercatore ha aggiunto un nuovo strumento al kit del fisico. È un promemoria del fatto che anche negli aspetti più banali della nostra vita quotidiana, come la pioggia di particelle che cade dal cielo, risiede un ordine caotico profondo che può essere sfruttato per proteggere il nostro futuro digitale e sondare i più profondi misteri dell'universo.