Quattro anni di intenso lavoro hanno portato i ricercatori dell'Università di Cardiff a sviluppare quello che potrebbe essere considerato il "fratellino" da tavolo dei giganteschi rilevatori di onde gravitazionali come LIGO. L'esperimento QUEST (Quantum Enhanced Space-Time measurement) ha dimostrato che non servono chilometri di tunnel sotterranei per raggiungere livelli di sensibilità straordinari: bastano tre ore di osservazioni su un sistema che può essere contenuto interamente su un tavolo da laboratorio. I risultati, pubblicati su Physical Review Letters, aprono nuove prospettive nella ricerca dei segreti più profondi dello spazio-tempo.
La miniaturizzazione della caccia alle onde gravitazionali
Il sistema interferometrico sviluppato dal team di Cardiff rappresenta una vera rivoluzione tecnologica nel campo della fisica fondamentale. Mentre i detector tradizionali come LIGO necessitano di bracci lunghi diversi chilometri per catturare le ondulazioni dello spazio-tempo, QUEST riesce a misurare variazioni di lunghezza 100 mila miliardi di volte più piccole dello spessore di un capello umano utilizzando un apparato compatto. Questa capacità di miniaturizzazione mantiene intatta una sensibilità record, aprendo possibilità inedite per lo studio della fisica oltre il Modello Standard.
Il Professor Hartmut Grote, co-autore della ricerca presso il Gravity Exploration Institute, sottolinea come "le teorie quantistiche della gravità possono manifestarsi come fluttuazioni nello spazio-tempo, e gli interferometri eccellono nel misurarle". L'approccio adottato dal team sfrutta oltre cinquant'anni di esperienza dell'università nel campo delle onde gravitazionali, applicando questo know-how a una sfida completamente nuova.
Alla ricerca della natura quantistica dello spazio-tempo
L'obiettivo ultimo di QUEST va ben oltre la semplice rilevazione di onde gravitazionali ad alta frequenza. Come spiega Abhinav Patra, ricercatore principale dello studio e borsista Enrico-Fermi impegnato nel dottorato presso l'istituto, "il nostro esperimento cerca di rispondere alla domanda se lo spazio-tempo sia 'quantizzato'". La fisica moderna considera spazio e tempo non come entità separate, ma come un'unica realtà fisica, e la ricerca mira a stabilire quale sia la più piccola unità possibile di spazio-tempo.
Questo approccio segue la scia degli esperimenti del XX secolo che hanno dimostrato come altre grandezze fisiche fondamentali, come i campi elettrici e magnetici, siano effettivamente quantizzate. La possibilità che anche lo spazio-tempo segua questa regola rappresenterebbe una rivoluzione concettuale nella nostra comprensione dell'universo, con implicazioni che spaziano dalla cosmologia alla fisica delle particelle.
Tecniche innovative per risultati straordinari
Il successo di QUEST risiede in una tecnica di correlazione sviluppata specificamente dal team di Cardiff. Utilizzando due strumenti indipendenti che cercano segnali comuni, i ricercatori sono riusciti a raggiungere una sensibilità senza precedenti nella ricerca di onde gravitazionali ad altissima frequenza. Questa metodologia permette di distinguere i segnali reali dal rumore di fondo, un aspetto cruciale quando si lavora con fenomeni di intensità estremamente ridotta.
Le onde gravitazionali ad alta frequenza che QUEST è in grado di rilevare potrebbero provenire da sorgenti esotiche dell'universo primordiale o da buchi neri miniaturizzati. La flessibilità offerta da un esperimento da tavolo consente ai ricercatori di ottimizzare continuamente le ricerche, adattando i parametri per investigare diversi aspetti della fisica fondamentale, dalla materia oscura alla gravità quantistica.
Verso il futuro della rilevazione gravitazionale
I risultati ottenuti in questo primo studio rappresentano solo l'inizio di un progetto più ampio. Il team di Cardiff sta già preparando esperimenti di durata molto maggiore, che potrebbero estendersi per mesi anziché ore. Patra evidenzia come "in questo studio facciamo i primi passi verso questo obiettivo e, così facendo, raggiungiamo un livello di sensibilità record con strumenti abbastanza piccoli da stare su un singolo tavolo di laboratorio".
L'esperienza accumulata nello sviluppo e nella messa a punto di QUEST contribuirà anche alla progettazione della prossima generazione di rilevatori di onde gravitazionali su larga scala. La tecnologia interferometrica da tavolo potrebbe infatti fornire soluzioni innovative per migliorare la sensibilità dei detector futuri, creando un ponte tra la ricerca di base e le applicazioni su scala industriale. La combinazione di compattezza, sensibilità e versatilità rende questo approccio particolarmente promettente per esplorare fenomeni fisici ancora inesplorati.