Avvicinarsi alla misurazione della gravità quantistica – Physics World

La prima tecnica in grado di misurare l’attrazione della gravità su una particella di appena micron di diametro potrebbe aiutare la ricerca di una teoria quantistica della gravità – un obiettivo di lunga data in fisica. Il nuovo esperimento utilizza un dispositivo superconduttore di interferenza quantistica (SQUID) per rilevare la forza sulla particella a temperature ultrabasse e sopprime le vibrazioni che potrebbero interferire con il movimento dovuto alla gravità.

La gravità differisce dalle altre forze fondamentali perché descrive una curvatura dello spazio-tempo piuttosto che interazioni dirette tra gli oggetti. Questa differenza spiega, in parte, perché i fisici teorici hanno lottato a lungo per conciliare la gravità (come descritta dalla teoria della relatività generale di Einstein) con la meccanica quantistica. Uno dei principali punti critici è che mentre quest’ultimo presuppone che lo spazio-tempo sia fisso, il primo afferma che cambia in presenza di oggetti massicci. Poiché gli esperimenti per determinare quale descrizione sia corretta sono estremamente difficili da eseguire, una teoria della gravità quantistica rimane fuori portata nonostante i grandi sforzi teorici in aree come la teoria delle stringhe e la gravità quantistica a loop.

Espulsione sul campo dallo Stato di Meissner

Nel nuovo lavoro, che viene riportato in Progressi scientifici, fisico Tjerk Oosterkamp of Università di Leida nei Paesi Bassi, insieme ai colleghi di Università di Southampton, Regno Unito e Italia Istituto di fotonica e nanotecnologie, ha sondato il confine tra gravità e meccanica quantistica studiando l'attrazione della gravità su una particella magnetica con una massa di soli 0.43 milligrammi, vicino al limite in cui iniziano ad apparire gli effetti quantistici. Per eseguire il loro studio, hanno intrappolato la particella in un campo magnetico generato facendo passare la corrente attraverso fili che diventano superconduttori a temperature inferiori a 100 millikelvin. Il “paesaggio” del campo magnetico risultante fa levitare la particella grazie a un noto effetto superconduttore noto come espulsione del campo nello stato di Meissner in cui il campo derivante dalle correnti nel superconduttore si oppone completamente al campo magnetico della particella.

Una volta che la particella stava levitando, i ricercatori hanno misurato cambiamenti molto piccoli nel campo magnetico che si verificano quando si muove attorno al suo centro di massa. Lo hanno fatto utilizzando un magnetometro DC SQUID integrato, sintonizzando continuamente la frequenza del potenziale di intrappolamento magnetico. Ciò ha permesso loro di caratterizzare l'ampiezza del movimento della particella in funzione di questi spostamenti di frequenza.

Soppressione delle vibrazioni

I ricercatori hanno poi creato un disturbo gravitazionale facendo ruotare una ruota pesante appena fuori dal frigorifero, o criostato, che conteneva l’esperimento. La frequenza di rotazione della ruota è stata sintonizzata per eccitare una delle frequenze di vibrazione della particella levitata. Ma prima di poter misurare i cambiamenti nel movimento della particella dovuti a questo disturbo gravitazionale, Oosterkamp e colleghi hanno dovuto assicurarsi che altri elementi che potrebbero mettere in movimento la particella – come le vibrazioni provenienti dal compressore e dalle pompe responsabili del raffreddamento del superconduttore – fossero molto ben represso.

“Questa si è rivelata la sfida più urgente nel nostro esperimento”, spiega Oosterkamp, ​​“ma una volta che siamo riusciti a farlo, il movimento della particella rimasta si è rivelato così piccolo da essere disturbato dalla gravità – e noi potrebbe effettivamente misurarlo.

Spingendo i confini

Oosterkamp e colleghi originariamente intendevano utilizzare il loro criostato per raffreddare ed eccitare un risonatore meccanico. "Lo stavamo facendo per provare a dimostrare che potrebbe trovarsi in due posti contemporaneamente, più o meno come può trovarsi un elettrone quando mostra effetti di interferenza che passano attraverso due fenditure", spiega Oosterkamp. “Dall'interferenza si deduce che l'elettrone è un'onda e attraversa entrambe le fenditure contemporaneamente. Per il nostro esperimento, che ha ancora molta strada da fare, abbiamo lavorato sull’isolamento delle vibrazioni per raffreddare un sensore di forza per osservare lo stesso tipo di effetto per un minuscolo risonatore meccanico”.

Questi esperimenti iniziali andarono così bene, ricorda, che gli scienziati si chiesero: qual è la forza più piccola che potevano esercitare sulla particella nel loro apparato per dimostrare la sensibilità dell'esperimento? "Quando ci siamo resi conto che le misurazioni della gravità erano a portata di mano, eravamo particolarmente motivati", ricorda Oosterkamp.

L’esperimento deve essere ancora più sensibile

Il prossimo passo, dice Oosterkamp, ​​sarà quello di avvicinare ancora di più gli effetti gravitazionali e quantistici. “Sarebbe molto auspicabile essere in grado di misurare la forza gravitazionale di una particella che si trova in due posti contemporaneamente, ma dobbiamo rendere il nostro esperimento ancora più sensibile per farlo ed effettuare misurazioni su oggetti più pesanti che mostrano effetti quantistici – come sovrapposizione e l’intreccio, per esempio”, dice.

A tal fine, i ricercatori stanno lavorando per sostituire la ruota esterna al criostato con una ruota o un'elica simile al suo interno. "Invece di una ruota con blocchi delle dimensioni di un chilogrammo posizionata a 30 cm di distanza dal sensore, speriamo di creare masse di milligrammi su un'elica che si trova a solo un centimetro di distanza", afferma Oosterkamp.

Il team sta anche tentando di isolare ulteriormente le vibrazioni esterne nel loro esperimento e di rendere il loro sistema più freddo. "Queste misure potrebbero migliorare la sensibilità delle misurazioni di 100 volte", afferma Oosterkamp.

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• Fonte: https://physicsworld.com/a/getting-closer-to-measuring-quantum-gravity/