L’esperimento si chiama MAGIA ma il suo significato e ben diverso da quello che immediatamente verrebbe da pensare: vuol dire infatti “Misura Accurata di G mediante Interferometria Atomica”, dove G è la celebre costante di gravitazione, che appare nella legge di gravitazione universale di Newton ed è stata misurata per la prima volta da Henry Cavendish nel 1798 usando una bilancia di torsione. L’esperimento è stato realizzato da un’equipe di fisici dell’Infn (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) e del Laboratorio Europeo di Spettroscopia non Lineare (Lens), un centro di eccellenza dell’Università di Firenze ed è salito agli onori della cronaca recentemente con due articoli, uno su Physical Review Letters e uno su Nature. Nel primo i ricercatori fiorentini guidati da Guglielmo Tino, ordinario di Fisica della materia presso l’Università degli Studi di Firenze, descrivono come hanno testato con successo uno dei principi cardine della Relatività Generale di Einstein, il principio di equivalenza, che afferma la completa equivalenza, appunto, tra un sistema accelerato e un sistema immerso in un campo gravitazionale. La ricerca del team di Tino è stata effettuata grazie all’utilizzo di un interferometro atomico, un sensore ad elevata sensibilità che misura la forza di gravità. L’esperimento può essere considerato come la versione quantistica del leggendario esperimento sulla caduta dei gravi che Galileo Galilei avrebbe effettuato dalla Torre di Pisa. La differenza sta nel fatto che la misura della velocità di caduta non è stata effettuata su oggetti comuni, ma su isotopi dell’atomo di stronzio lasciati cadere nel vuoto.Con questo nuovo esperimento, gli scienziati hanno così misurato l’accelerazione con cui gli atomi cadono nel campo gravitazionale terrestre testando, per la prima volta, il principio di equivalenza mediante il confronto tra atomi con caratteristiche diverse. Uno degli scienziati del team di Firenze, Nicola Poli, così lo ha spiegato a ilsussidiario.net.
Perché è importante testare ancora il principio di equivalenza di Einstein?
Il principio di equivalenza sta alla base della teoria della Relatività Generale sviluppata da Einstein. È di fondamentale importanza continuare a verificare questo principio di base con tecniche sempre più raffinate aventi precisione di misura crescente. Il nostro interesse è rivolto in particolare ai possibili modelli che sono stati proposti per estendere la teoria di Einstein alla meccanica quantistica, alcuni dei quali, ad esempio tramite accoppiamenti tra l’interazione gravitazionale e proprietà quantistiche della materia, possono portare a violazioni dello stesso principio di equivalenza. In questo lavoro in particolare ci siamo occupati di eseguire un test del principio di equivalenza tra atomi con e senza spin, ossia di misurare eventuali piccole variazioni di accelerazione di gravità agente su atomi con e senza spin (una caratteristica degli atomi puramente quantistica) in caduta libera a terra.
Che apparato sperimentale avete utilizzato e come è stato condotto l’esperimento?
Per le misure è stato utilizzato un gravimetro atomico. Questo particolare tipo di gravimetro è basato su atomi di stronzio ultra-freddi (le temperature sono prossime alla zero assoluto) intrappolati in una trappola a reticolo ottico.
Grazie all’interferenza quantistica delle funzioni d’onda atomiche, ha luogo una oscillazione nello spazio delle fasi ( anche detta oscillazione di Bloch) la cui frequenza è proporzionale alla forza esterna (forza di gravità) che agisce sugli atomi. Le misure sono state ripetute con isotopi di stronzio diversi con spin totale nullo ( isotopo bosonico 88) e non nullo (isotopo fermionico 87).
In pratica, che cosa avete misurato e quali sono i risultati?
Abbiamo verificato che a livello di una parte su 107 i due isotopi cadono, sotto l’azione della gravità terrestre, con la stessa accelerazione. Quindi a questo livello non è stato osservato nessun tipo di accoppiamento spin-gravità.
Ci sono analogie (e differenze) con l’esperimento di Galileo sulla caduta dei gravi?
L’esperimento è analogo all’esperimento condotto da Galileo, ma oggi siamo riusciti ad utilizzare masse “campione” ideali, atomi appunto, dei quali possiamo controllare allo stesso tempo lo stato di moto (gradi di libertà esterni) ma anche altre proprietà puramente quantistiche, come lo stato di spin (gradi di libertà interni).
Nell’esperimento Magia avete anche misurato la costante gravitazionale: che valore avete trovato?
In questo esperimento, si è misurata la costante di gravitazione universale sempre per mezzo di gravimetro basato su interferometria atomica, stavolta circondato da masse sorgenti note (500 kg di tungsteno). Il risultato della misura, benché non consistente con il valore accettato (il valore raccomandato nel 2010 dal CODATA (Committee on Data for Science and Technology dell’International Council for Science) con uno scarto di 1.5 deviazioni standard, risulta consistente con alcune delle misure eseguite in precedenza da altri gruppi. Questa rappresenta ad oggi a prima misura eseguita con un metodo nuovo rispetto alle misure precedenti eseguite con pendoli di torsione (esperimento di Cavendish); proprio per questo motivo la comunità scientifica ha mostrato un notevole interesse. Un esperimento concettualmente diverso può essere utilizzato in futuro per l’individuazione di effetti sistematici presenti in misure precedenti.ì