Un pozzo sperimentale di 100 metri di profondità presso il Fermilab, originariamente costruito per studi sui neutrini, si prepara a diventare la sede di un ambizioso esperimento di fisica quantistica, con protagonista MAGIS-100, destinato a diventare il più grande interferometro atomico verticale mai realizzato.
Atomi in caduta e superposizione quantistica
Matter-wave Atomic Gradiometer Interferometric Sensor: così si chiama il MAGIS-100, un interferometro atomico che servirà per esplorare i misteri della materia oscura e delle onde gravitazionali. Per la cronaca, un interferometro atomico è uno strumento in grado di misurare le più piccole differenze tra stati quantistici di atomi in caduta libera.
Nell’esperimento, gli scienziati faranno scendere gruppi di atomi lungo un tubo a vuoto di 100 metri, illuminandoli con laser per rilevare le variazioni di fase prodotte dall’interazione con la luce. Questo metodo, noto come atom interferometry, permette di manipolare atomi su scala macroscopica: “Riusciremo a separare gli stati di un atomo fino all’altezza di una persona”, spiega Roni Harnik, fisico del Fermilab.
Rispetto alle precedenti esperienze con rubidio, MAGIS-100 utilizzerà atomi di stronzio, che permettono all’elettrone eccitato di rimanere in stato attivo per minuti invece che per nanosecondi. Questo aumento della durata rende l’esperimento simile a un orologio atomico di precisione estrema, capace di misurare il tempo necessario alla luce del laser per percorrere l’intero tubo a vuoto. Attualmente, il record di separazione tra due stati atomici è di 54 centimetri: MAGIS-100 punta a triplicarlo e a estendere il tempo di superposizione fino a 10 secondi, aprendo nuove possibilità per la fisica quantistica su scala umana.
Alla scoperta della materia oscura
La materia oscura costituisce circa quattro quinti della materia dell’universo, ma non è mai stata osservata direttamente. MAGIS-100 cercherà particelle ultraleggere, come l’ipotetico assione, che si comportano più come onde che come particelle. Atomi in superposizione diventano estremamente sensibili a piccolissime variazioni indotte da queste particelle, come leggere modifiche alla massa di un elettrone o alla forza delle interazioni tra particelle atomiche.
“Maggiore è la distanza tra i due stati di un atomo, maggiore sarà la sensibilità dell’esperimento”, spiega Jason Hogan, portavoce della collaborazione e fisico di Stanford. Oltre alla materia oscura, MAGIS-100 testerà il principio di equivalenza di Einstein, secondo cui oggetti di massa diversa cadono alla stessa velocità in un campo gravitazionale uniforme.
L’esperimento confronterà il tempo di caduta di isotopi diversi dello stesso elemento: eventuali discrepanze potrebbero indicare forze ancora sconosciute, forse legate alla materia oscura.
Onde gravitazionali a nuove frequenze
Dal 2015, le collaborazioni LIGO e Virgo hanno confermato diverse onde gravitazionali, dimostrando una previsione di Einstein lunga quasi un secolo. Tuttavia, questi strumenti rilevano solo un intervallo specifico di frequenze. MAGIS-100 apre la strada a esperimenti futuri in grado di captare onde gravitazionali a frequenze più basse, potenzialmente anticipando eventi catastrofici come la fusione di buchi neri.
Sebbene il tubo di 100 metri non permetta ancora di rilevare le stesse onde osservate da LIGO, le tecnologie sviluppate — laser e atomi di stronzio — garantiscono misure estremamente precise e costituiscono un laboratorio pilota per strumenti più grandi. Oltre a Fermilab e Stanford University, il progetto coinvolge le università di Northern Illinois, Northwestern, Johns Hopkins e Liverpool, grazie a un finanziamento di 9,8 milioni di dollari dalla Gordon and Betty Moore Foundation e fondi del DOE.
Robert Plunkett, project manager di MAGIS-100, evidenzia l’aspetto pionieristico dell’esperimento: “Il momento più entusiasmante è l’inizio, quando si apre davvero la porta verso l’ignoto. Una volta operativo, lo strumento offrirà spunti per idee ancora più audaci”.
