La gravità tratta davvero tutti allo stesso modo?
C'è una cosa che fa riflettere. Se lanci un a palla da bowling e una piuma nel vuoto, cadono insieme. Galileo lo capì secoli fa, ed Einstein costruì tutta la sua teoria della gravità su questo principio, chiamato principio di equivalenza. È la base di come intendiamo l'universo.
Ma c'è un problema: lo abbiamo testato solo con la materia "normale". Protoni, neutroni, elettroni. roba che possiamo toccare e vedere.
E le particelle più pesanti, quelle "cugine strane" che esistono in natura? Cadono nello stesso modo?
È esattamente quello che vuole scoprire un team dell'ETH Zurigo e dell'Istituto Paul Scherrer in Svizzera — usando una delle particelle più bizzarre che conosciamo.
Conosciamo il muone
Ecco il muone. È tipo il cugino ciccio dell'elettrone. Stessa cosa dell'elettrone, ma 200 volte più pesante. E qui diventa interessante: i fisici non hanno idea del perché esistano queste generazioni più pesanti.
Il Modello Standard — la nostra migliore teoria sulle particelle — descrive tre generazioni di materia. Prima: protoni, neutroni, elettroni. Seconda: muoni e compagnia. Terza: roba ancora più pesante chiamata particelle tau.
"Ma perché abbiamo queste generazioni extra? E perché esattamente tre?" come dice la fisica Anna Soter.
Ottima domanda. Non lo sappiamo. E questo mistero ha fatto sorgere un dubbio al team: forse queste particelle più pesanti non rispondono alla gravità allo stesso modo dei loro parenti leggeri. Forse abbiamo dato per scontato la cosa sbagliata.
Il problema di testare la gravità sui muoni
Vuoi testare se i muoni cadono alla stessa velocità degli elettroni? Sembra semplice, no? Basta lasciar cadere dei muoni e vedere cosa succede.
Se solo fosse così facile.
Primo problema: i muoni sono antisociali. Vivono solo 2,2 microsecondi prima di decadere in altre particelle. Sono 0,0000022 secondi. Non puoi fare un esperimento tranquillo con qualcosa che sparisce così in fretta.
Secondo problema: se usi un muone carico, qualsiasi campo elettromagnetico residuo dominerebbe la debolissima forza gravitazionale che stai cercando di misurare. La gravità è debole, ricorda? Si fa intimidire facilmente.
La soluzione? Creare il muonio.
Costruire l'atomo più strano dell'universo
Il muonio sembra roba da fantascienza, ma è reale. Prendi un antimuone con carica positiva (l'antiparticella del muone) e unisco a un elettrone con carica negativa. Cosa ottieni?
Un atomo neutro che è fondamentalmente un ibrido tra materia e antimateria.
Neutro è la parola chiave: significa che i campi elettromagnetici non interferiscono con la misurazione della gravità. E siccome il muonio è elettricamente neutro, il team può effettivamente osservarlo cadere.
Ma c'è ancora il problema della velocità. I metodi tradizionali producevano atomi di muonio che sfrecciavano in tutte le direzioni a velocità casuali — completamente inutili per misurazioni precise.
La svolta è arrivata quando i ricercatori hanno capito come produrre muonio "freddo": atomi che si muovono tutti quasi alla stessa velocità e nella stessa direzione. Questo rende possibile un esperimento sulla gravità.
Sparare atomi con un cannone atomico
Qui diventa davvero figo. Per creare questo fascio di muonio freddo, il team usa elio superfluido raffreddato appena sopra lo zero assoluto — parliamo di meno 273 gradi Celsius.
L'elio superfluido è fondamentalmente un fluido quantistico dove gli atomi perdono la loro identità individuale e il liquido diventa completamente privo di attrito. Non tollera nemmeno impurità. È la diva dei liquidi.
Quando gli antimuoni dall'acceleratore potente del PSI entrano in questo elio, rallentano. Quando un antimuone cattura un elettrone libero per formare muonio, succede qualcosa di magico: il potenziale chimico dentro il liquido agisce come un piccolo motore a razzo, spingendo l'atomo appena formato verso l'alto attraverso la superficie.
L'autore principale Jesse Zhang lo descrive benissimo: "Stiamo usando il potenziale chimico come un cannone atomico."
Adoro questa frase. Un cannone atomico che spara atomi esotici attraverso un liquido quantistico per testare la teoria di Einstein. La scienza è fantastica.
Cosa succede adesso?
Il team sta costruendo un interferometro — un dispositivo che usa le proprietà ondulatorie degli atomi per misurare effetti minuscoli. Quando gli atomi di muonio salgono e scendono sotto la gravità terrestre, l'interferometro rileverà ogni minima variazione nei loro pattern ondulatori.
Se Einstein aveva ragione e il principio di equivalenza vale anche per le particelle di seconda generazione, il muonio dovrebbe comportarsi esattamente come la materia ordinaria che cade in un campo gravitazionale.
Ma se c'è anche la più piccola deviazione? Sarebbe enorme. Stiamo parlando di territorio da Premio Nobel e riscrittura dei libri di fisica.
Onestamente, spero che trovino qualcosa. Non perché voglio che Einstein si sbagli, ma perché testiamo il principio di equivalenza con gli stessi tipi di materia da secoli. È ora di ampliare gli orizzonti. È ora di vedere se l'universo è equo con tutte le sue particelle, o solo con quelle che conosciamo bene.
Questo esperimento potrebbe finalmente aiutarci a capire perché la natura si è disturbata a creare generazioni multiple di materia. Non è poco, per una particella che vive solo 2,2 microsecondi.
A volte le cose più effimere ci insegnano le lezioni più profonde.
Fonte: ScienceDaily