Nella ricerca di nuove particelle e forze in natura, i fisici sono alla ricerca di comportamenti all’interno di atomi e molecole che sono proibiti dal collaudato Modello Standard della fisica delle particelle. Qualsiasi deviazione da questo modello potrebbe indicare ciò che i fisici chiamano affettuosamente "nuova fisica".
Nick Hutzler, professore assistente di fisica del Caltech, e il suo gruppo sono alla ricerca di tipi specifici di deviazioni che aiuterebbero a risolvere il mistero del perché c'è così tanta materia nel nostro universo. Quando il nostro universo nacque, circa 14 miliardi di anni fa, si ritiene che la materia e la sua compagna, l'antimateria, esistessero in egual misura.
In genere, materia e antimateria si annullano a vicenda, ma esisteva una sorta di asimmetria tra i diversi tipi di particelle che faceva sì che la materia prevalesse sull’antimateria. Il gruppo di Hutzler utilizza esperimenti da tavolo per cercare violazioni di simmetria, i comportamenti devianti delle particelle che hanno portato al nostro universo asimmetrico dominato dalla materia.
Ora riporto nelle lettere di revisione fisica , il team, guidato da Chi Zhang, ricercatore post-dottorato associato in fisica presso il Caltech di David ed Ellen Lee, ha trovato un modo per migliorare i propri studi utilizzando l'entanglement, un fenomeno della fisica quantistica per cui due particelle remote possono rimanere collegate anche senza essendo in contatto diretto. Lo studio è intitolato "Metrologia potenziata quantistica per la violazione della simmetria molecolare utilizzando sottospazi privi di decoerenza".
In questo caso, i ricercatori hanno sviluppato un nuovo metodo per intrecciare schiere di molecole, che fungono da sonde per misurare le violazioni di simmetria. Impigliando le molecole, gli array diventano meno sensibili al rumore di fondo che può interferire con l'esperimento e più sensibili al segnale desiderato.
"È come ancorare insieme un gruppo di paperelle di gomma", afferma Hutzler. "Se volessi misurare il movimento delle paperelle attraverso una vasca, sarebbero meno sensibili al rumore di fondo degli spruzzi d'acqua se li collegassi insieme. E sarebbero più sensibili a qualcosa che potresti voler misurare come il flusso di una corrente poiché tutti risponderebbero ad essa collettivamente."
"Vogliamo essere sensibili alla struttura delle molecole", dice Zhang. "I campi elettrici e magnetici incontrollati provenienti dall'apparato sperimentale ostacolano le nostre misurazioni, ma ora abbiamo un nuovo protocollo per intrecciare le molecole in modo tale da renderle meno sensibili al rumore."
Più specificamente, questo nuovo metodo può essere utilizzato per cercare piccole inclinazioni negli elettroni che possono verificarsi in risposta ai campi elettrici all’interno delle molecole. "Le leggere rotazioni indicherebbero che gli elettroni o gli spin nucleari stanno interagendo con i campi elettrici, e questo è proibito secondo il Modello Standard," dice Hutzler.
"Altri approcci che utilizzano l'entanglement in genere aumenterebbero la sensibilità al rumore", aggiunge. "Chi ha trovato un modo per ridurre il rumore garantendo allo stesso tempo un aumento di sensibilità grazie all'entanglement."
Un diverso studio sperimentale recente pubblicato su Science , guidato da Hutzler e John M. Doyle dell'Università di Harvard, ha dimostrato che le molecole poliatomiche utilizzate in questo tipo di studi hanno altre capacità uniche di proteggersi dal rumore elettromagnetico, anche se senza l'aumento di sensibilità derivante dall'entanglement.
In quello studio, i ricercatori hanno dimostrato di poter regolare la sensibilità della molecola ai campi esterni e di fatto farla svanire, rendendo così le molecole in gran parte immuni al rumore.
"Grazie ai vantaggi dell'entanglement, i ricercatori possono spingere questi esperimenti a sondare settori sempre più esotici della nuova fisica", afferma Hutzler.
Ulteriori informazioni: Chi Zhang et al, Metrologia potenziata quantistica per la violazione della simmetria molecolare utilizzando sottospazi privi di decoerenza, lettere di revisione fisica (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.193602
Loïc Anderegg et al, Controllo quantistico di molecole poliatomiche intrappolate per ricerche eEDM, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adg8155
Informazioni sul giornale: Lettere di revisione fisica , Scienza
Fornito dal California Institute of Technology
