La ricerca sui confini della fisica fondamentale ha compiuto un passo straordinario grazie a una scoperta che potrebbe ribaltare ciò che sappiamo sulle leggi dell'universo. Un team di scienziati dell'Università Tecnica di Vienna ha dimostrato che la tecnologia dell'orologio nucleare al torio, presentata al mondo nel 2024, è in grado di misurare con precisione senza precedenti eventuali variazioni della costante di struttura fine, uno dei parametri fondamentali che regolano le forze della natura. La questione al centro della ricerca è tanto semplice quanto rivoluzionaria: le costanti fisiche che consideriamo universali sono davvero immutabili nel tempo e nello spazio?
Il professor Thorsten Schumm dell'Istituto di Fisica Atomica e Subatomica dell'ateneo viennese spiega il contesto: "Per quanto ne sappiamo, esistono solo quattro forze fondamentali in natura: la gravità, l'elettromagnetismo e le forze nucleari forte e debole. A ciascuna di queste forze corrisponde una costante fondamentale che ne descrive l'intensità rispetto alle altre". La costante di struttura fine, che ha un valore di circa 1/137, determina appunto l'intensità dell'interazione elettromagnetica. Se questo valore fosse diverso, le particelle cariche si comporterebbero in modo differente, i legami chimici funzionerebbero secondo altre regole e l'interazione tra luce e materia assumerebbe caratteristiche completamente diverse.
La possibilità di verificare sperimentalmente la stabilità di questa costante si basa su una proprietà straordinaria dei nuclei atomici di torio. Questi possono esistere in due stati energetici distinti: uno stato fondamentale a bassa energia e uno stato eccitato con energia leggermente superiore. La differenza tra questi due livelli energetici può essere misurata con estrema accuratezza, ed è proprio questa caratteristica che costituisce il fondamento dell'orologio nucleare. Ma c'è dell'altro: quando il nucleo passa da uno stato all'altro, modifica leggermente la sua forma ellittica, alterando di conseguenza la distribuzione dei protoni al suo interno e quindi il campo elettrico che genera.
Questo cambiamento nella configurazione del campo elettrico è il cuore della nuova tecnica di misurazione. Come precisa Schumm, "in particolare, cambia la componente quadrupolare del campo, un parametro che descrive se la forma del campo elettrico è più allungata, come un sigaro, oppure più schiacciata, come una lenticchia". L'entità di questa variazione dipende direttamente dalla costante di struttura fine, rendendo quindi possibile verificare se questo valore rimane effettivamente stabile o se presenta lievi oscillazioni.
La ricerca sul torio ha alle spalle una storia lunga decenni. Gli scienziati sospettavano da tempo che i nuclei atomici di questo elemento potessero essere utilizzati per misurazioni di precisione estremamente specifiche, e la ricerca di stati nucleari adatti procedeva in tutto il mondo. Il gruppo dell'Università Tecnica di Vienna, collaborando con partner internazionali, ha ottenuto la svolta decisiva nel 2024, individuando finalmente la transizione nucleare del torio di cui si discuteva da così tanto tempo. Poco dopo è stato dimostrato che il torio può effettivamente essere impiegato per costruire orologi nucleari ad alta precisione.
L'esperimento che ha portato ai risultati pubblicati sulla rivista Nature Communications ha richiesto una collaborazione transcontinentale. I cristalli contenenti torio sono stati prodotti nei laboratori dell'ateneo viennese, mentre le misurazioni di spettroscopia laser sono state successivamente condotte a Boulder, in Colorado. I risultati hanno superato ogni aspettativa: il metodo sviluppato può rilevare variazioni della costante di struttura fine con una precisione superiore di tre ordini di grandezza rispetto ai metodi precedenti, ovvero con un fattore di miglioramento pari a seimila.
Le implicazioni teoriche di questa capacità di misurazione sono profonde. Normalmente si assume che costanti come quella di struttura fine siano universali, con lo stesso valore in ogni momento e ovunque nell'universo. Tuttavia, esistono teorie che prevedono che questa costante possa variare lentamente di piccole quantità o addirittura oscillare periodicamente. Se una di queste ipotesi si rivelasse corretta, il nostro modo di comprendere la fisica verrebbe completamente rivoluzionato. Ma per scoprirlo servono strumenti di misura capaci di rilevare cambiamenti infinitesimali, ed è esattamente ciò che l'orologio atomico al torio ora rende possibile per la prima volta.
Come sottolinea Schumm nelle conclusioni dello studio, questa scoperta dimostra che la transizione del torio identificata dal suo team non serve soltanto a costruire una nuova generazione di orologi di precisione, ma apre la strada a indagini su aspetti della fisica che fino a oggi erano rimasti al di fuori della portata sperimentale. In sostanza, gli scienziati hanno ora tra le mani uno strumento che potrebbe confermare o smentire alcune delle teorie più audaci sulla natura fondamentale dell'universo, mettendo alla prova l'idea stessa di costante fisica e verificando se le leggi che governano il cosmo sono davvero immutabili o se invece evolvono nel tempo in modi che ancora dobbiamo comprendere.
