La teoria della relatività generale di Einstein spiega che una curvatura del le direzioni dello spazio e del tempo provocano la gravità. La manifestazione più familiare di ciò è la gravità terrestre, che ci mantiene a terra e spiega perché le palline cadono a terra e gli individui hanno un peso quando salgono su una bilancia.
Nel campo della fisica delle alte energie, invece, gli scienziati studiano minuscoli oggetti invisibili che obbediscono alle leggi della meccanica quantistica, caratterizzati da fluttuazioni casuali che creano incertezza nelle posizioni e nelle energie di particelle come elettroni, protoni e neutroni. Comprendere la casualità della meccanica quantistica è necessario per spiegare il comportamento della materia e della luce su scala subatomica.
Per decenni, gli scienziati hanno cercato di unire questi due campi di studio per ottenere una descrizione quantistica della gravità. Ciò combinerebbe la fisica della curvatura associata alla relatività generale con le misteriose fluttuazioni casuali associate alla meccanica quantistica.
Un nuovo studio in Fisica della Natura dai fisici dell’Università del Texas ad Arlington riferiscono di una nuova sonda profonda nell’interfaccia tra queste due teorie, utilizzando particelle di neutrini ad altissima energia rilevate da un rilevatore di particelle situato nelle profondità del ghiacciaio antartico al polo sud.
“La sfida di unificare la meccanica quantistica con la teoria della gravitazione rimane uno dei problemi irrisolti più urgenti della fisica”, ha affermato il coautore Benjamin Jones, professore associato di fisica. “Se il campo gravitazionale si comporta in modo simile agli altri campi in natura, la sua curvatura dovrebbe mostrare fluttuazioni quantistiche casuali”.
Jones e gli studenti laureati dell’UTA Akshima Negi e Grant Parker facevano parte di un programma internazionale Team di collaborazione IceCube che comprendeva più di 300 scienziati provenienti da tutti gli Stati Uniti, nonché da Australia, Belgio, Canada, Danimarca, Germania, Italia, Giappone, Nuova Zelanda, Corea, Svezia, Svizzera, Taiwan e Regno Unito.
Per cercare le tracce della gravità quantistica, il team ha posizionato migliaia di sensori in un chilometro quadrato vicino al polo sud in Antartide per monitorare i neutrini, particelle subatomiche insolite ma abbondanti che hanno carica neutra e non hanno massa. Il team è stato in grado di studiare più di 300.000 neutrini. Stavano cercando di vedere se queste particelle ad altissima energia fossero disturbate dalle fluttuazioni quantistiche casuali nello spaziotempo che ci si aspetterebbe se la gravità fosse quantomeccanica, mentre viaggiano per lunghe distanze attraverso la Terra.
“Abbiamo cercato quelle fluttuazioni studiando i sapori dei neutrini rilevati dall’Osservatorio IceCube”, ha detto Negi. “Il nostro lavoro ha prodotto una misurazione molto più sensibile di quelle precedenti (oltre un milione di volte di più, per alcuni modelli), ma non ha trovato prove degli effetti gravitazionali quantistici attesi”.
Questa mancata osservazione della geometria quantistica dello spaziotempo è una potente affermazione sulla fisica ancora sconosciuta che opera all’interfaccia tra fisica quantistica e relatività generale.
“Questa analisi rappresenta il capitolo finale del contributo quasi decennale della UTA all’Osservatorio IceCube”, ha affermato Jones. “Il mio gruppo ora sta perseguendo nuovi esperimenti che mirano a comprendere l’origine e il valore della massa dei neutrini utilizzando tecniche di fisica atomica, molecolare e ottica”.
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