Nascosto in profondità in un seminterrato a Stanford c'è un tubo alto 10 metri, avvolto in una gabbia di metallo e avvolto in fili. Una barriera lo separa dalla stanza principale, oltre il quale il cilindro si estende per tre piani fino a un apparato che contiene atomi ultrafreddi pronti a sparare verso l'alto. Tavoli pieni di laser per sparare agli atomi e analizzare come rispondono a forze come la gravità riempiono il resto del laboratorio.

Il tubo è un interferometro atomico, un dispositivo su misura progettato per studiare la natura ondulatoria degli atomi. Secondo la meccanica quantistica, gli atomi esistono simultaneamente come particelle e onde. Lo strumento di Stanford rappresenta un modello per un nuovo ambizioso strumento dieci volte più grande che potrebbe essere utilizzato per rilevare le onde gravitazionali, minuscole increspature nello spaziotempo create dall'energia che si dissipa da oggetti astronomici in movimento. Lo strumento potrebbe anche far luce su un altro mistero dell'universo:la materia oscura.

I fisici sperimentali di Stanford Jason Hogan e Mark Kasevich non hanno mai pensato che il loro dispositivo fosse implementato in questo modo. Quando Hogan iniziò i suoi studi universitari nel laboratorio di Kasevich, si concentrò invece sulla verifica degli effetti della gravità sugli atomi. Ma le conversazioni con il fisico teorico Savas Dimopoulos, un professore di fisica, ei suoi studenti laureati, spesso attirati al piano di sotto da una macchina per caffè espresso situata proprio di fronte all'ufficio di Kasevich, li hanno portati a pensare alla sua utilità come rilevatore altamente sensibile.

"Stavamo solo parlando di fisica, come spesso fanno i fisici, "dice Kasevich, professore di fisica e fisica applicata alla School of Humanities and Sciences di Stanford. Una cosa tira l'altra e il gruppo è atterrato su un piano audace per creare un interferometro atomico in grado di rilevare onde gravitazionali che nessuno ha mai visto prima.

La loro idea si inserisce in un'altra ondata che sta attraversando la fisica, uno che implica la cooptazione di strumenti squisitamente sensibili sviluppati per altri scopi per rispondere a domande fondamentali sulla natura.

Un nuovo metodo di rilevamento

Nel 2015, il Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) ha rilevato un breve segnale da una collisione di 1,3 miliardi di anni tra due buchi neri supermassicci. Da allora, LIGO ha catalogato più onde gravitazionali che passano attraverso la Terra, fornendo agli astronomi una nuova e potente lente con cui studiare l'universo.

Le onde gravitazionali sono increspature nello spazio-tempo, proprio come le onde dell'oceano, tranne che distorcono lo spazio, non acqua. In teoria, qualsiasi massa in accelerazione, se una mano che saluta o un pianeta in orbita, produce onde gravitazionali. Questi movimenti, però, si verificano a livelli molto al di sotto della nostra capacità di rilevarli. Solo le onde gravitazionali provenienti da immensi fenomeni astronomici causano spostamenti abbastanza grandi nello spazio-tempo da poter essere riconosciuti dai sensori sulla Terra.

Proprio come frequenze diverse compongono lo spettro elettromagnetico, anche le onde gravitazionali variano. LIGO e altri rilevatori di onde gravitazionali attuali percepiscono una gamma molto ristretta - onde ad alta frequenza come quelle dal momento in cui due buchi neri si scontrano - ma altre parti dello spettro delle onde gravitazionali rimangono inesplorate. E proprio come gli astronomi possono imparare cose nuove su una stella studiando la sua luce ultravioletta rispetto alla sua luce visibile, analizzare i dati di altre frequenze delle onde gravitazionali potrebbe aiutare a risolvere i misteri dello spazio che sono attualmente fuori portata, comprese quelle sull'universo primordiale.

"Abbiamo identificato una regione dello spettro che non era ben coperta da nessun altro rilevatore, ed è capitato che corrispondesse ai metodi che stavamo già sviluppando, "disse Hogan, un assistente professore di fisica presso la Facoltà di Lettere e Filosofia.

Durante gli studi universitari di Hogan, lui e i suoi colleghi hanno costruito l'interferometro atomico alto 10 metri per testare alcune delle loro idee. Però, per aumentare la sensibilità del dispositivo, necessario per rilevare oscillazioni spazio-temporali inferiori alla larghezza di un protone, hanno bisogno di un rivelatore più grande. E così il sensore interferometrico del gradiometro atomico a onde di materia da 100 metri, o MAGIS-100, è nato l'esperimento

Con l'aiuto di una sovvenzione di 9,8 milioni di dollari della Gordon and Betty Moore Foundation, gli scienziati hanno in programma di realizzare un pozzo sotterraneo esistente al Fermilab, un Laboratorio Nazionale del Dipartimento di Energia in Illinois, La nuova casa di MAGIS-100.

"Puoi trovare buchi nel terreno, ma è un po' difficile trovare un buco nel terreno con un laboratorio attaccato, "ha detto Rob Plunkett, uno scienziato senior del Fermilab coinvolto nel progetto.

Concettualmente, MAGIS-100 funzionerà in modo simile a LIGO. Entrambi gli esperimenti sfruttano la luce per misurare la distanza tra due masse di prova, molto simile al raggio radar. Ma mentre LIGO ha gli specchi, MAGIS-100 favorisce gli atomi.

"L'atomo risulta essere un'incredibile massa di prova per questi scopi, " ha detto Hogan. "Abbiamo tecniche molto potenti per manipolarlo e permettergli di essere insensibile a tutte le fonti di rumore di fondo."

Gli specchi di LIGO sono appesi a fili di vetro, il che significa che un terremoto potrebbe far scattare i suoi sensori. MAGIS-100, d'altra parte, dispone di misure in luoghi per impedire che tali fonti di rumore estraneo influiscano sui suoi dati.

Dopo essere stato raffreddato a una frazione di grado sopra lo zero assoluto, gli atomi vengono fatti cadere verticalmente nel pozzo come gocce d'acqua che gocciolano da un rubinetto. La temperatura gelida mette gli atomi in uno stato di quiete, così rimangono immobili mentre cadono, e poiché l'albero è un vuoto, gli atomi precipitano senza rischio di deviare dalla rotta. L'orientamento verticale dell'asta assicura inoltre che una Terra tremante non influisca sulle misurazioni.

I laser quindi manipolano gli atomi che cadono e il team può misurare per quanto tempo sono in uno stato eccitato. Hogan e Kasevich sperano di utilizzare lo stronzio come massa di prova, lo stesso elemento utilizzato negli orologi atomici, per determinare se ci sono ritardi temporali quando la luce eccita gli atomi. Un ritardo suggerirebbe il passaggio di un'onda gravitazionale.

Inoltre, Gli scienziati di MAGIS-100 possono utilizzare i dati atomici per testare le previsioni fatte dai modelli della materia oscura. Secondo alcuni modelli, la presenza di materia oscura potrebbe portare a variazioni dei livelli di energia atomica. La tecnologia laser supersensibile consente a Plunkett e ai suoi collaboratori di cercare queste variazioni.

Guardando verso lo spazio

MAGIS-100 è un prototipo, un altro passo verso la costruzione di un dispositivo ancora più grande che sarebbe molte volte più sensibile. Hogan e Kasevich hanno detto che immaginano un giorno di costruire qualcosa sulla scala di LIGO, che è lungo 4 chilometri.

Poiché un futuro MAGIS-100 a grandezza naturale dovrebbe rilevare onde gravitazionali a bassa frequenza intorno a 1 Hertz, come quelli emessi da due buchi neri che orbitano l'uno intorno all'altro, potrebbe identificare gli stessi eventi che LIGO ha già visto, ma prima che le masse si scontrino effettivamente. I due esperimenti potrebbero quindi completarsi a vicenda.

"Potremmo realizzare un rilevatore in grado di vedere lo stesso sistema, ma molto, molto più giovane, " ha detto Hogan.

I rilevatori avanzati in stile MAGIS potrebbero anche trovare sorgenti di onde gravitazionali che volano sotto il radar di LIGO. Onde gravitazionali primordiali, Per esempio, prodotto momenti dopo il Big Bang.

"Rilevare le onde gravitazionali che hanno avuto origine dall'universo primordiale può far luce su ciò che è realmente accaduto, " disse Kasevic.

Nessuno conosce le frequenze di queste onde gravitazionali primordiali o se il futuro rivelatore su larga scala può captarle. Hogan ha detto che crede che dovrebbero essere costruiti quanti più rilevatori possibili per coprire un'ampia gamma di frequenze e vedere semplicemente cosa c'è là fuori.

"Le fonti conosciute che sono eccitanti sono queste fonti simili a LIGO, " disse Hogan. "Poi ci sono gli sconosciuti, a cui dovremmo essere aperti anche noi".