Gli atomi trasportati dallo spazio preannunciano nuovi test del principio di equivalenza di Einstein – Physics World

Gli atomi trasportati dallo spazio preannunciano nuovi test del principio di equivalenza di Einstein – Physics World

Timestamp: 8 marzo 2024 4:30


Foto della Stazione Spaziale Internazionale in orbita attorno alla Terra, con una mela e un'arancia che cadono sovrapposte su di essa
Caduta libera: il principio di equivalenza di Einstein sostiene che il movimento dei corpi in caduta libera (siano essi mele, arance o qualsiasi altra cosa) è indipendente dalla loro composizione. Il Cold Atom Laboratory a bordo della Stazione Spaziale Internazionale mira a testare questo principio utilizzando atomi ultrafreddi con masse diverse. (Per gentile concessione di Ali Lezeik, adattamento dell'immagine originale di Roskosmos/NASA)

Il moto dei corpi in caduta libera è indipendente dalla loro composizione. Questo è uno dei fondamenti del Principio di Equivalenza di Einstein (EEP), che è alla base della nostra moderna comprensione della gravità. Questo principio, tuttavia, è costantemente sotto esame. Qualsiasi violazione di ciò ci darebbe suggerimenti nella nostra ricerca dell’energia oscura e della materia oscura, guidando anche la nostra comprensione dei buchi neri e di altri sistemi in cui gravità e meccanica quantistica si incontrano.

Scienziati provenienti da Stati Uniti, Francia e Germania hanno ora creato un nuovo sistema per testare l’EEP: una miscela di due gas quantistici ultrafreddi che orbita attorno alla Terra a bordo della Stazione Spaziale Internazionale (ISS). Hanno anche dimostrato il primo interferometro atomico a doppia specie nello spazio, che descrivono come un “passo importante” verso il test dell’EEP. La domanda a cui intendono rispondere con questo esperimento è semplice: due atomi di massa diversa cadono alla stessa velocità?

Atomi freddi sulla ISS

L'ISS ospita il Laboratorio di atomo freddo (CAL), che è un “parco giochi” per gli atomi nello spazio. Lanciato nel 2018, nel 2020 ha creato il primo condensato di Bose-Einstein (BEC) spaziale, uno stato speciale della materia ottenuto dopo aver raffreddato gli atomi a temperature appena superiori allo zero assoluto. Questo primo gas quantistico era costituito da atomi di rubidio ultrafreddi, ma in seguito a un aggiornamento nel 2021, il CAL ospita anche una sorgente di microonde per produrre gas quantistici da atomi di potassio.

Nell'ultimo lavoro, descritto in Natura, gli scienziati del CAL hanno generato una miscela quantistica di entrambe le specie sulla ISS. "Generare questa miscela quantistica nello spazio è un passo importante verso lo sviluppo di misurazioni ad alta precisione per testare il principio di equivalenza di Einstein", afferma Gabriel Muller, uno studente di dottorato presso l'Università Leibniz di Hannover, in Germania, coinvolto nell'esperimento.

Per ottenere questa miscela, il team ha confinato gli atomi di rubidio in una trappola magnetica e ha permesso agli atomi “caldi” più energetici di evaporare dalla trappola, lasciando dietro di sé gli atomi “freddi”. Ciò alla fine porta a una transizione di fase in un gas quantistico una volta che gli atomi scendono al di sotto di una certa temperatura critica.

Sebbene questo processo funzioni anche per gli atomi di potassio, far evaporare simultaneamente entrambe le specie nella stessa trappola non è semplice. Poiché la struttura energetica interna degli atomi di rubidio e potassio è diversa, le loro temperature iniziali nella trappola variano, così come variano le condizioni ottimali della trappola e il tempo di evaporazione necessario per raggiungere la temperatura critica. Di conseguenza, gli scienziati hanno dovuto ricorrere a una soluzione diversa. "Il gas quantico di potassio non viene generato tramite raffreddamento evaporativo, ma piuttosto raffreddato 'per simpatia' tramite il contatto termico diretto con il gas di rubidio ultrafreddo evaporato", spiega Müller.

Generare questo gas quantistico nello spazio ha i suoi meriti, aggiunge. “Sulla Terra c'è un abbassamento gravitazionale, il che significa che due atomi di masse diverse non si troveranno nella stessa posizione nella trappola. Nello spazio, invece, l’interazione gravitazionale è debole e le due specie sono sovrapposte”. Questo aspetto del lavoro in microgravità è essenziale per eseguire esperimenti volti a osservare le interazioni tra le due specie che altrimenti verrebbero dirottate dagli effetti della gravità sulla Terra.

Il ruolo cruciale dell’ingegneria dello stato quantistico

La produzione di una miscela quantistica di atomi di rubidio e potassio avvicina il team CAL al test dell’EEP, ma altri elementi dell’esperimento devono ancora essere domati. Ad esempio, sebbene le due specie si sovrappongano nella trappola, quando ne escono le loro posizioni iniziali sono leggermente diverse. Müller spiega che ciò è in parte dovuto alle proprietà di ciascuna specie di atomi che portano a dinamiche diverse, ma è anche dovuto al fatto che il rilascio della trappola non è istantaneo, il che significa che una delle specie sperimenta una forza magnetica residua rispetto all'altra. Tali effetti sistematici potrebbero facilmente presentarsi come una violazione del EEP se non gestiti adeguatamente.

Per questo motivo, gli scienziati hanno rivolto la loro attenzione alla caratterizzazione della sistematica della loro trappola e alla riduzione del rumore indesiderato. "Si tratta di un lavoro che viene svolto attivamente ad Hannover, per creare stati di input ben progettati di entrambe le specie, il che sarà cruciale poiché sono necessarie condizioni iniziali simili prima di avviare l'interferometro", afferma Müller. Una soluzione al problema della posizione iniziale, aggiunge, sarebbe quella di trasportare lentamente entrambe le specie in un’unica posizione prima di spegnere la trappola magnetica. Sebbene ciò possa essere fatto con elevata precisione, ciò avviene a scapito del riscaldamento degli atomi e della perdita di alcuni di essi. Gli scienziati sperano quindi di utilizzare l’apprendimento automatico per ottimizzare il meccanismo di trasporto e ottenere così un controllo simile della dinamica atomica, ma molto più veloce.

Immagine che mostra sei raggi laser rossi che si incrociano all'interno di una camera con un chip sospeso sopra di essa
Raffreddamento degli atomi nello spazio: uno schema del Cold Atom Laboratory (CAL) della NASA che mostra la disposizione dei raggi laser e del chip atomico. (Per gentile concessione: NASA/JPL)

Interferometro atomico bispecie nello spazio

Una volta risolti questi problemi, il passo successivo sarebbe quello di eseguire un test EEP utilizzando l’interferometria atomica a doppia specie. Si tratta di utilizzare impulsi luminosi per creare una sovrapposizione coerente delle due nubi di atomi ultrafreddi, per poi ricombinarle e lasciarle interferire dopo un certo tempo di evoluzione libera. Lo schema di interferenza contiene preziose informazioni sull'accelerazione della miscela, da cui gli scienziati possono dedurre se entrambe le specie hanno sperimentato la stessa accelerazione gravitazionale.

Un fattore limitante in questa tecnica è la sovrapposizione delle posizioni del raggio laser e del campione atomico. "Questa è la parte più difficile", sottolinea Müller. Un problema è che le vibrazioni sulla ISS fanno vibrare il sistema laser, introducendo rumore di fase nel sistema. Un altro problema è che la diversa struttura di massa e livello di energia atomica di entrambe le specie le porta a rispondere in modo diverso al rumore vibrazionale, producendo uno sfasamento tra i due interferometri atomici.

Nell'ultimo lavoro, gli scienziati hanno dimostrato l'interferometria atomica simultanea della miscela e hanno misurato una fase relativa tra il modello di interferenza degli atomi di rubidio e di potassio. Tuttavia, sono ben consapevoli che tale fase è probabilmente dovuta alle fonti di rumore che stanno affrontando, piuttosto che a una violazione del PPE.

Missioni future

Un nuovo modulo scientifico è stato lanciato sulla ISS con l'obiettivo di aumentare il numero di atomi, migliorare le sorgenti laser e implementare nuovi algoritmi nella sequenza sperimentale. Fondamentalmente, però, gli scienziati del CAL stanno cercando di dimostrare una misurazione di precisione inerziale che vada oltre l'attuale stato dell'arte. "Tali realizzazioni rappresentano traguardi importanti verso le future missioni satellitari che metteranno alla prova l'universalità della caduta libera a livelli senza precedenti", afferma Naceur Gaaloul, coautore del recente articolo.

Un esempio menzionato da Gaaloul è la proposta STE-QUEST (Space-Time Explorer and Quantum Equivalence Principle Space Test), che sarebbe sensibile a differenze di accelerazione di appena 10-17 Signorina2. Questa precisione equivale a far cadere una mela e un'arancia e misurare, dopo un secondo, la differenza nella loro posizione entro il raggio di un protone. Lo spazio è, notoriamente, difficile, ma l'interferometria atomica nello spazio è ancora più difficile.

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