Esplorando i confini della fisica: il vuoto quantistico e i suoi misteri
Il concetto di vuoto, per la maggior parte di noi, è associato all’idea di un nulla assoluto. Tuttavia, la realtà scientifica ci mostra un quadro ben diverso: il vuoto è infatti un teatro di fluttuazioni quantistiche, un brulicare di energia che sfugge alla nostra percezione diretta. Un team di ricerca del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) sta lavorando a un esperimento che potrebbe non solo confermare queste fluttuazioni, ma anche aprire la porta a nuove leggi della fisica.
La sfida di catturare il vuoto
Fluttuazioni quantistiche: il vuoto non è vuoto
Il mondo della fisica è da tempo a conoscenza del fatto che il vuoto non è completamente vuoto, ma è pervaso da fluttuazioni quantistiche, un tremolio quantico che si manifesta nel tempo e nello spazio. Sebbene non sia possibile catturarlo direttamente, l’influenza di questo fenomeno può essere osservata indirettamente, ad esempio attraverso variazioni nei campi elettromagnetici di particelle microscopiche.
Verificare l’inverificabile
Finora, non è stato possibile verificare le fluttuazioni del vuoto senza la presenza di particelle. Se ciò fosse realizzabile, una delle teorie fondamentali della fisica, la elettrodinamica quantistica (QED), sarebbe provata in un’area mai testata prima. Qualsiasi deviazione dalla teoria potrebbe indicare l’esistenza di nuove particelle ancora sconosciute.
L’esperimento rivoluzionario
La collaborazione internazionale e il laser più potente del mondo
L’esperimento è pianificato nell’ambito del Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF), un consorzio di ricerca guidato dall’HZDR presso la stazione sperimentale HED del European XFEL a Amburgo, che ospita il laser a raggi X più grande del mondo. Il principio su cui si basa è che un laser ultra-potente emetta brevi e intensi lampi di luce in una camera d’acciaio inossidabile evacuata. L’obiettivo è manipolare le fluttuazioni del vuoto in modo che esse, quasi magicamente, cambino la polarizzazione di un lampo di raggi X del European XFEL, ovvero ruotino la sua direzione di oscillazione.
Due lampi invece di uno
Il concetto originale prevedeva di sparare un solo lampo laser ottico nella camera e di utilizzare tecniche di misurazione specializzate per registrare se ciò cambiasse la polarizzazione del lampo di raggi X. Tuttavia, il segnale potrebbe essere estremamente debole, tanto che solo uno su un trilione di fotoni di raggi X potrebbe cambiare la sua polarizzazione. Per questo motivo, il team dell’HZDR propone di sparare due impulsi laser ottici simultaneamente nella camera evacuata.
La caccia a particelle fantasma ultraleggere
Le prospettive potrebbero migliorare ulteriormente se i due lampi laser sparati nella camera non fossero dello stesso colore, ma di due lunghezze d’onda diverse. Ciò consentirebbe anche di cambiare leggermente l’energia del lampo di raggi X, facilitando la misurazione dell’effetto. Il progetto è attualmente in fase di pianificazione ad Amburgo insieme al team del European XFEL presso la stazione sperimentale HED, e i primi test sono previsti per il 2024. Se avranno successo, potrebbero confermare ancora una volta la QED.
Tuttavia, gli esperimenti potrebbero rivelare deviazioni dalla teoria consolidata, che potrebbero essere dovute a particelle precedentemente non scoperte, come le particelle fantasma ultraleggere note come assioni. “E questo”, dice Schützhold, “sarebbe un chiaro segnale di leggi della natura aggiuntive e finora sconosciute”.
