Un nuovo tipo di fascio di particelle potrebbe mettere in discussione la teoria della gravità di Einstein

La forza di gravità agisce allo stesso modo su tutte le particelle dell’universo o esistono differenze tra materia normale e materia esotica? Anna Soter e il suo team presso il Politecnico federale di Zurigo ETH e l’Istituto Paul Scherrer PSI stanno approfondendo questa questione. «Abbiamo compiuto un passo importante verso la realizzazione di un interessante esperimento su questo tema», afferma la professoressa di fisica: «Vogliamo misurare come i mioni interagiscono con la gravità».

A tal fine, il team di ricerca utilizza un atomo esotico chiamato mionio. È simile a un atomo di idrogeno, ma nel suo nucleo non c’è un protone, bensì un antimione.

Tutta la materia che ci circonda – noi stessi compresi – è costituita da protoni, neutroni ed elettroni. I fisici la chiamano la prima generazione di particelle. Esistono inoltre altre due generazioni con particelle più pesanti. Il mionio, ad esempio, è il fratello più pesante dell’elettrone e appartiene alla seconda generazione.

Al PSI i ricercatori generano artificialmente i mioni e le loro antiparticelle in un grande acceleratore di particelle. Quando un antimione con carica positiva si combina con un elettrone con carica negativa, si forma un atomo di mionio neutro.

Il Modello Standard della fisica delle particelle descrive la struttura generazionale della materia. «Ma noi fisici non capiamo ancora perché esistano queste generazioni aggiuntive», afferma Soter: «E perché sono in tutto tre?» Particolarmente interessante è anche la domanda se le masse crescenti delle particelle della seconda e della terza generazione si comportino, in relazione alla gravità, esattamente come quelle delle particelle più leggere della prima generazione. 

Il misterioso principio di equivalenza

Per la materia ordinaria vale il principio secondo cui, in un determinato punto all’interno di un campo gravitazionale, tutti i corpi cadono alla stessa velocità. Questa universalità della caduta libera era già stata riconosciuta da Galileo Galilei e Isaac Newton e, in quanto principio di equivalenza tra massa pesante e massa inerte, costituisce un pilastro fondamentale della teoria della gravitazione di Albert Einstein.

Finora, tuttavia, questo misterioso principio è stato dimostrato solo per la materia normale o l’antimateria di prima generazione. Con la misurazione gravitazionale del mionio, i ricercatori studierebbero per la prima volta come cade una particella di seconda generazione. «L’esotico mionio è particolarmente adatto a questo scopo, poiché è un atomo neutro», spiega Soter: «Infatti, per far cadere qualcosa occorre un elemento neutro.» Nel caso di una particella carica, il debole effetto della gravità verrebbe mascherato dai campi elettromagnetici di dispersione. 

Ma ci sono anche grandi difficoltà: i mioni decadono molto rapidamente, dopo soli 2,2 microsecondi. Inoltre, le precedenti fonti di mionio generavano atomi che volavano a velocità diverse in molte direzioni e che quindi non erano adatti per esperimenti di precisione. 

Presso l’infrastruttura di ricerca svizzera per la fisica delle particelle CHRISP, presso il PSI, i ricercatori hanno ora compiuto un passo avanti decisivo. «Siamo riusciti a generare gli atomi di mionio in uno stato freddo, che rende possibile l’esperimento gravitazionale», afferma Soter: «Freddo» significa in questo caso che gli atomi si propagano a velocità simili e in modo quasi parallelo tra loro.» 

Il nuovo fascio di mionium è inoltre straordinariamente intenso, il che è fondamentale per misurazioni precise. Per misurare la gravità, i ricercatori osservano la caduta degli atomi. Ma l’effetto della gravità è talmente minuscolo che gli atomi devono cadere il più a lungo possibile per consentire una misurazione precisa. «Poiché gli atomi di mionio hanno una vita così breve, dobbiamo partire da un numero elevato, in modo che un numero sufficiente di essi sopravviva abbastanza a lungo da poter essere misurato dopo alcuni microsecondi di caduta», spiega Soter.

Il liquido quantistico dà la spinta

Ciò è stato possibile grazie a un nuovo metodo per la generazione degli atomi di mionio, come riportano i ricercatori sulla rivista specializzata Nature Physics. «A tal fine abbiamo utilizzato elio superfluido, raffreddato fino a una temperatura vicina allo zero assoluto, pari a meno 273 gradi Celsius», spiega Jesse Zhang, primo autore dello studio: «L’elio superfluido è un cosiddetto fluido quantistico, in cui i singoli atomi di elio perdono la propria identità e che non tollera impurità al suo interno».

Il metodo: gli antimioni generati nell’acceleratore del PSI vengono proiettati in un sottile strato di elio superfluido, dove vengono frenati. Quando un antimione incontra un elettrone libero nell’elio, si forma un atomo di mionio con un potenziale chimico positivo, che viene praticamente espulso dal liquido. Quando il mionio raggiunge la superficie, il potenziale chimico viene convertito in energia cinetica. L’atomo riceve una spinta ed esce verticalmente dal liquido. «Utilizziamo quindi il potenziale chimico come un cannone atomico», spiega Zhang. 

È fondamentale che gli atomi di mionio possano muoversi liberamente attraverso il liquido quantistico a una certa velocità e senza collisioni, altrimenti, data la loro durata di vita estremamente breve, non riuscirebbero affatto a raggiungere la superficie. «Per i nostri esperimenti dipendiamo inoltre dall’acceleratore di particelle del PSI. Esso genera i fasci di muoni continui più intensi al mondo», afferma Soter: «Grazie a questa fonte di alta qualità è possibile generare un numero molto elevato di atomi di mionio.»

La gravità sposta i modelli di interferenza

In una fase successiva, i ricercatori stanno ora sviluppando l’apparecchiatura con cui intendono misurare l’effetto della gravità sul fascio di mioni – un cosiddetto interferometro. Esso sfrutta le proprietà ondulatorie degli atomi per generare un modello di interferenza. Il minuscolo spostamento di questo schema causato dalla forza di gravità terrestre permette di determinare l’effetto gravitazionale sui muoni. «Speriamo di poter testare per la prima volta il metodo quest’anno con il fascio atomico e, se tutto andrà bene, l’esperimento gravitazionale vero e proprio dovrebbe seguire tra due o tre anni», afferma Soter. 

Il nuovo fascio di mioni dovrebbe inoltre consentire nuovi esperimenti nel campo della spettroscopia laser. In questo modo si potrebbero misurare i mioni con molta maggiore precisione rispetto al passato. Ciò consentirebbe di trarre conclusioni sulla massa del muone e sulle costanti fondamentali della natura, il che rappresenta anche un obiettivo futuro del gruppo di ricerca.

In futuro, il fascio di mionio dovrebbe diventare ancora più intenso. Grazie ai nuovi High Intensity Muon Beams (HIMB), che fanno parte dell’aggiornamento IMPACT presso il PSI, i ricercatori potranno generare un fascio con cento volte più atomi di mionio rispetto a prima. In questo modo, Soter e il suo team potranno aumentare ulteriormente la sensibilità dell’esperimento gravitazionale. «Si tratta di uno sviluppo molto interessante per le misurazioni di precisione, poiché la nostra misurazione è limitata dal punto di vista statistico», afferma Soter.

Ma cosa succederebbe se la gravità agisse su questo atomo esotico in modo diverso rispetto alla materia ordinaria? «Sarebbe davvero sorprendente e, insieme ad altre teorie, potrebbe indicare l’esistenza di una quinta forza», afferma Soter. Finora la fisica parte dal presupposto che esistano quattro interazioni fondamentali: gravità, elettromagnetismo, interazione forte e interazione debole. Sebbene l’ipotesi di una quinta forza sia stata più volte avanzata, non è mai stata dimostrata. 

Tale dimostrazione, tuttavia, non è l’obiettivo primario di Soter: «Sono completamente imparziale», afferma: «Vorrei semplicemente misurare per la prima volta se l’equivalenza tra massa gravitazionale e massa inerziale valga anche per la seconda generazione di particelle – già questo è un lavoro piuttosto stimolante».

Questa ricerca è sostenuta dal Polo di ricerca nazionale Muoniverse.