Le teorie della meccanica quantistica prevedono che alcune particelle possano esistere in stati di sovrapposizione, il che significa essenzialmente che possono trovarsi in più di uno stato contemporaneamente. Tuttavia, quando si misura lo stato di una particella, questa sovrapposizione sembra “collassare” in un unico risultato; un fenomeno spesso definito “problema della misurazione”.
Negli ultimi anni, diversi fisici teorici hanno cercato di spiegare perché e come avviene questo collasso. Ciò ha portato all’introduzione di vari modelli, come il modello di localizzazione spontanea continua (CSL) e il modello di Diósi-Penrose.
Entrambi questi modelli prevedono che il collasso quantistico spontaneo porterebbe anche all’emissione di deboli radiazioni X. La rilevazione sperimentale di queste radiazioni fornirebbe quindi la prova della validità di queste teorie.
Un esperimento promettente per testare queste teorie è XENONnT, un rivelatore sotterraneo di materia oscura ad alta sensibilità situato presso il Laboratorio Nazionale del Gran Sasso (LNGS) dell’INFN, in Italia.
In un recente articolo pubblicato su Physical Review Letters , fisici teorici in collaborazione con ricercatori sperimentali dell’esperimento XENONnT hanno analizzato i dati raccolti dal rivelatore. Hanno scoperto che questi dati mettevano in discussione i modelli di collasso quantistico CLS e Diósi-Penrose.
“XENONnT è uno degli esperimenti più sensibili al mondo per la ricerca della materia oscura, impegnato nella ricerca di nuova fisica a energie molto basse”, ha dichiarato a Phys.org Christian Wittweg, professore assistente all’Imperial College di Londra, attualmente impegnato nel progetto LUX-ZEPLIN.
“Durante un progetto di tesi di laurea magistrale che ho supervisionato all’Università di Zurigo, la mia ex responsabile, la Prof.ssa Laura Baudis, ha suggerito che XENONnT potesse essere effettivamente utilizzato per testare sperimentalmente queste idee. Fino a poco tempo fa, tuttavia, le teorie esistenti sul collasso quantistico spontaneo non fornivano previsioni chiare in questo intervallo di energia.”
Wittweg, il professor Baudis e i loro colleghi si resero conto che i modelli teorici esistenti limitavano i test possibili che potevano essere eseguiti con il rivelatore XENONnT. Si rivolsero quindi ai loro collaboratori, Catalina Curceanu e Kristian Piscicchia.
“Contemporaneamente, il mio gruppo di ricerca, il gruppo PAMQ (Open Problems in Quantum Mechanics) del Centro di Ricerca Enrico Fermi di Roma, in collaborazione con l’esperimento VIP (Violation of the Pauli exclusion principle) dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), diretto da Curceanu, ha completato un nuovo studio teorico”, ha dichiarato Piscicchia, ricercatore presso il Centro di Ricerca Enrico Fermi (CREF), responsabile del progetto CREF “Open Problems in Quantum Mechanics” e responsabile nazionale dell’esperimento VIP per l’INFN.
“Questo lavoro ha ampliato le previsioni su come i modelli di collasso spontaneo potrebbero apparire a basse energie.”
Una ricerca basata sulla teoria per individuare esplosioni di energia a raggi X.
Il nuovo modello introdotto da Piscicchia, Curceanu e dai loro collaboratori è stato inizialmente sviluppato nel contesto degli atomi di germanio, che erano stati al centro degli studi precedenti. Il modello ha dimostrato che i segnali attesi dipendevano fortemente dal tipo di atomi utilizzati nei rivelatori.
“Simone Manti ha eseguito i calcoli specifici per gli atomi di xeno”, ha affermato Piscicchia. “Il modello ha anche previsto segnali distintivi di diversi meccanismi di collasso, in particolare nella regione a bassa energia, proprio dove XENONnT è più sensibile. Queste intuizioni hanno aperto la strada all’applicazione del modello agli atomi di xeno, il bersaglio utilizzato da XENONnT.”
Gli sforzi teorici di Piscicchia, Curceanu, Manti e dei loro collaboratori hanno infine attirato l’interesse di Wittweg e dei suoi colleghi. Ciò ha dato il via a una collaborazione tra i due gruppi, volta alla ricerca di possibili segnali di collasso quantistico spontaneo sfruttando la notevole sensibilità alle basse energie del rivelatore XENONnT.
“A quel punto, Alexander Bismark, dottorando all’Università di Zurigo, aveva ripreso il lavoro per la sua tesi e lo aveva portato a termine insieme a Kristian”, ha spiegato Wittweg.
Il rivelatore XENONnT si basa su un grande serbatoio riempito di xeno liquido, un gas nobile raro. Il rivelatore è una camera a proiezione temporale a doppia fase, il che significa che misura sia la luce che i segnali elettrici prodotti quando particelle, come neutrini, candidati alla materia oscura o raggi X, interagiscono al suo interno.
“XENONnT è un cilindro con tubi fotomoltiplicatori a entrambe le estremità ed elettrodi paralleli alle superfici del cilindro per l’applicazione di campi elettrici”, ha spiegato Wittweg.
“Il cilindro è riempito di xeno liquido e presenta un sottile strato di gas nella parte superiore. Un raggio X proveniente dal collasso quantistico spontaneo nel rivelatore verrà assorbito entro pochi millimetri dal suo punto di emissione. Il deposito di energia porta all’eccitazione e all’ionizzazione degli atomi di xeno.”
L’eccitazione degli atomi di xeno all’interno del rivelatore produce luce, un segnale iniziale denominato S1 (segnale 1). Gli elettroni vengono quindi spinti a migrare verso l’interfaccia liquido-gas nella parte superiore del rivelatore mediante un campo elettrico.
“Questo processo richiede del tempo, a seconda della profondità dell’interazione dei raggi X nel rivelatore”, ha spiegato Wittweg. “Una volta raggiunta la superficie, gli elettroni vengono accelerati nel gas da un campo elettrico più intenso, dove producono un segnale secondario di elettroluminescenza nel gas, il segnale 2 o S2. Possiamo combinare questi segnali per ricostruire l’energia dei raggi X e dedurre da dove sono stati emessi.”
Per distinguere i segnali a raggi X potenzialmente significativi dal rumore di fondo, il team deve innanzitutto conoscere il numero di eventi di fondo e la loro distribuzione energetica. Per ottenere queste informazioni, hanno eseguito simulazioni di tutte le sorgenti di fondo presenti nel rivelatore e hanno confrontato i risultati con le misurazioni reali raccolte.
“In realtà, li stiamo ‘adattando’ ai dati utilizzando metodi statistici e la nostra conoscenza precisa della radioattività del rivelatore”, ha affermato Wittweg. “Dopotutto, controlliamo la radioattività di ogni materiale che entra nel rivelatore, quindi sappiamo cosa aspettarci. Il secondo ingrediente sono i modelli del segnale.”
“In sostanza, si tratta ancora una volta di distribuzioni energetiche dei raggi X che ci aspettiamo dal collasso quantistico nei modelli DP e CSL che abbiamo analizzato.”
Piscicchia, Curceanu e Manti hanno infine aiutato Wittweg e i suoi colleghi a comprendere meglio come la distribuzione dell’energia dei raggi X cambi forma e scala in relazione ai parametri del modello. Precedenti analisi teoriche suggerivano che la distribuzione diminuisse in proporzione all’inverso dell’energia dei raggi X.
“È difficile trovare un segnale privo di caratteristiche su uno sfondo privo di caratteristiche come quello che abbiamo in XENONnT”, ha spiegato Wittweg. “Per fortuna, i nuovi modelli dei teorici hanno mostrato che gli effetti atomici portano alla presenza di ‘picchi’ nel modello a basse energie. Avere caratteristiche di questo tipo rende l’analisi statistica molto più potente. Ora dovevamo ‘solo’ verificare: ci sono picchi sopra il nostro sfondo che assomigliano alla previsione della teoria oppure no?”
Nell’ambito del loro studio, i ricercatori hanno analizzato i dati raccolti durante la prima campagna scientifica di XENONnT, svoltasi dal 6 luglio al 10 novembre 2021. Per minimizzare i segnali di fondo derivanti da tracce di radioattività nei materiali utilizzati per la costruzione del rivelatore, è stato impiegato solo un sottovolume di 4,37 tonnellate delle 5,9 tonnellate totali di xeno strumentato all’interno del rivelatore.
“In pratica, ci siamo allontanati dalle pareti e abbiamo utilizzato lo xeno attorno al nostro volume di analisi come schermo di protezione dalle radiazioni, ottenendo così un rumore di fondo inferiore”, ha spiegato Wittweg. “Un rumore di fondo estremamente basso, unito a una bassa soglia energetica e a un grande rivelatore che misura per un lungo periodo di tempo, è ciò che ci conferisce la sensibilità necessaria per rilevare questo segnale.”
I risultati degni di nota della squadra
Le analisi del team non hanno rivelato alcuna prova evidente dei lampi di raggi X previsti. Ciononostante, hanno stabilito i limiti più stringenti finora raggiunti sui parametri centrali dei modelli di collasso quantistico.
“I risultati dell’analisi sono stati eccezionali”, ha affermato Piscicchia. “Sebbene finora non sia stato osservato alcun segnale di collasso spontaneo, questo rappresenta la prova più solida che pone vincoli stringenti a due dei principali modelli di collasso: il modello di Diósi-Penrose, in cui la gravità gioca un ruolo centrale nell’indurre il collasso, e il modello CSL. Per il modello CSL siamo oltre cento volte più sensibili rispetto ai precedenti esperimenti di punta.”
Questo sforzo congiunto dei team coinvolti negli esperimenti VIP, PAMQ e XENONnT potrebbe contribuire a scartare alcune delle teorie sul collasso quantistico introdotte negli ultimi anni. Il loro approccio potrebbe essere utilizzato per indagare il ruolo della gravità nella fisica quantistica, facilitando potenzialmente una riconciliazione tra questi due quadri fondamentali della fisica.
“Sebbene la mancata rilevazione di un segnale possa sembrare deludente a prima vista, è semplicemente la natura della fisica sperimentale”, ha affermato Wittweg. “Verifichiamo le teorie e la mancanza di un segnale positivo ci permette di escluderle o di limitare i parametri consentiti. Non abbiamo escluso completamente i modelli di collasso spontaneo, ma è chiaro che c’è sempre meno margine di manovra per possibili realizzazioni in natura.”
Questo recente lavoro di Wittweg, Piscicchia e dei loro colleghi dimostra anche fino a che punto gli studi di fisica teorica e gli esperimenti su larga scala possano influenzarsi reciprocamente. Questa recente collaborazione potrebbe in futuro aprire la strada a ulteriori esperimenti ispirati alla teoria e a iniziative volte a verificare le previsioni teoriche.
“Uno sforzo congiunto con sistemi di rivelazione in grado di evolversi di pari passo con la teoria (come il progetto VIP-PAMQ-XENON) creerebbe piattaforme flessibili che uniscono teoria ed esperimento, capaci di adattare i materiali bersaglio e i sistemi di lettura a seconda della fisica che vogliamo testare”, ha affermato Piscicchia.
“Questo tipo di approccio rappresenta una strada promettente per testare una delle maggiori sfide aperte della fisica: una teoria unificata della gravità quantistica.”
I rivelatori di materia oscura a base di xeno, come XENONnT, sono in funzione da oltre due decenni. Inizialmente, questi rivelatori contenevano solo pochi chilogrammi di xeno, mentre ora ne contengono diverse tonnellate. Con l’aumento delle dimensioni dei rivelatori, anche i segnali di fondo si sono ridotti esponenzialmente.
“Alcuni la chiamano la legge di Moore dei rivelatori allo xeno “, ha detto Wittweg. “È ottima per la ricerca della materia oscura, ma va ben oltre. Scopriamo sempre più cose che possiamo studiare, come il collasso quantistico spontaneo, dove siamo leader mondiali al primo tentativo. Questo è ciò che offrono un basso rumore di fondo, una bassa soglia di energia e un’ampia esposizione: versatilità.”
“I rivelatori di materia oscura allo xeno non sono più solo rivelatori di materia oscura. Sono diventati osservatori per l’astrofisica delle particelle. Ho svolto il mio post-dottorato a Zurigo, quindi mi piace pensarli come dei coltellini svizzeri.”
Ambiti per la ricerca futura
Per imporre ulteriori vincoli ai modelli di collasso quantistico o per rilevare i segnali a raggi X previsti, i ricercatori dovranno raccogliere più dati con un minore rumore di fondo. Ciò richiederà la raccolta di misurazioni per periodi più lunghi e lo sviluppo di tecniche per ridurre il rumore di fondo.
“In questo contesto, il rumore di fondo è costituito principalmente dai decadimenti radioattivi del piombo (Pb-214), un prodotto di decadimento del radon, un gas nobile radioattivo, e poi dai neutrini solari che interagiscono con gli elettroni atomici dello xeno. Il flusso di neutrini solari sulla Terra è di 70 miliardi di neutrini al secondo per centimetro quadrato, l’area di un’unghia del pollice. Anche con la loro piccolissima probabilità di interazione, i neutrini producono segnali che diventano una parte considerevole del rumore di fondo di XENONnT.”
Poiché i ricercatori non possono schermare i neutrini né “spegnere” il sole, questi diventano in definitiva una fonte irriducibile di rumore di fondo. Nell’ambito dei loro studi futuri, sperano di ridurre altri tipi di rumore di fondo a un livello tale da scendere al di sotto di questa componente irriducibile.
“Dopo la prima fase di sperimentazione scientifica di XENONnT, siamo riusciti a dimezzare il tasso di decadimento del radon all’interno del bersaglio di xeno, quindi il fondo associato è ora allo stesso livello dei neutrini solari”, ha affermato Wittweg. “Inoltre, ora disponiamo di circa sei volte più dati rispetto a quelli utilizzati per l’analisi del collasso quantistico. Sono sicuro che questo ci fornirà un ottimo approfondimento.”
Gli sperimentatori stanno anche lavorando alla costruzione di un nuovo rivelatore di materia oscura che mostrerà una sensibilità senza precedenti. Questo rivelatore, che è già in fase di sviluppo, avrà una massa da cinque a dieci volte superiore a quella dei rivelatori XENONnT e LUX-ZEPLIN (LZ). Si chiamerà XLZD.
“Per XLZD, le collaborazioni XENON, LZ e DARWIN hanno unito le forze per costruire il rivelatore di materia oscura WIMP definitivo”, ha affermato Wittweg. “L’obiettivo è quello di sondare la materia oscura fino alla nebbia di neutrini , una regione in cui i neutrini provenienti dal Sole, dalle supernove passate e dall’atmosfera iniziano a imitare perfettamente i segnali WIMP.”
“C’è ancora molta strada da fare prima di raggiungere la nebbia, quindi ci sono buone probabilità di fare una scoperta lungo il percorso. Ma XLZD non si occupa solo di materia oscura. Cercherà collassi spontanei, misurerà i flussi di neutrini solari e competerà nella ricerca del decadimento beta doppio senza neutrini. Ci saranno molte cose da scoprire nel prossimo decennio.”
Il nuovo rivelatore WIMP potrebbe essere utilizzato anche per cercare segnali associati ad altri candidati per la materia oscura, in regioni energetiche e con sensibilità irraggiungibili per i rivelatori esistenti. Nel frattempo, Piscicchia, Curceanu e i loro collaboratori intendono continuare a cercare possibili segnali di nuova fisica che potrebbero essere rilevati sperimentalmente.
“Un aspetto di questi sforzi risiede nella prospettiva fenomenologica, ovvero nel tentativo di identificare e modellare gli effetti misurabili delle nuove teorie fisiche, con l’obiettivo di svelare segnali di nuova fisica o di porre dei limiti allo sviluppo di tali teorie”, ha affermato Piscicchia.
Man mano che gli esperimenti diventano sempre più sensibili e impongono vincoli progressivamente più stringenti ai modelli teorici (un chiaro esempio sono le misurazioni presentate in questa intervista), questi modelli evolvono verso formulazioni più mature e generali.
Piscicchia continua a collaborare strettamente con altri importanti fisici teorici per esplorare le conseguenze fenomenologiche di varie teorie avanzate e, nell’ambito del VIP, si stanno progettando nuovi esperimenti che potrebbero portare all’osservazione delle firme previste. Ad esempio, stanno progettando un nuovo rivelatore che potrebbe aiutare a identificare la firma elettromagnetica caratteristica legata all’interazione tra il campo in collasso e diversi bersagli atomici ottimizzati.
“L’indagine su questo affascinante argomento va oltre la risoluzione del problema di misurazione di lunga data, ovvero il problema del collasso della funzione d’onda, che è al centro dei fondamenti stessi della meccanica quantistica”, ha affermato Piscicchia.
“Sono fermamente convinto, e diversi studi supportano questa ipotesi, che il collasso spontaneo possa essere strettamente legato alla risoluzione di una delle sfide aperte più profonde della scienza: la conciliazione della gravità con la meccanica quantistica.”
Dopo oltre un secolo, l’interazione gravitazionale descritta per la prima volta da Newton nel XVII secolo non è ancora stata pienamente descritta in un quadro teorico compatibile con le leggi della meccanica quantistica. Elaborare le conseguenze sperimentali di un tale nuovo quadro teorico sarà un obiettivo cruciale dei futuri lavori di Piscicchia, Curceanu e dei loro collaboratori.
“Notevoli approcci teorici tentano, ad esempio, di quantizzare il campo gravitazionale (come nella teoria delle stringhe o nella gravità quantistica a loop) o, in alternativa, di ‘gravitalizzare la meccanica quantistica’, per usare un’espressione di Sir Roger Penrose”, ha aggiunto Piscicchia.
“Questi approcci condividono spesso una caratteristica comune: una fondamentale ‘sfocatura’ della struttura spazio-temporale, ovvero una limitazione intrinseca nella misurabilità degli intervalli spazio-temporali , che ricorda le prime idee di discretezza risalenti a Democrito. Questa incertezza intrinseca dello spazio-tempo, che si manifesta su scale di energia o di lunghezza ben oltre le attuali capacità sperimentali, potrebbe indurre processi di collasso spontanei, potenzialmente osservabili attraverso le loro caratteristiche firme di radiazione elettromagnetica.”
I teorici stanno ora lavorando a un nuovo quadro fenomenologico che consentirà loro di verificare sperimentalmente questa ipotesi.
by 