A caccia dell’energia oscura in uno scantinato
Un gruppo di scienziati dell’Imperial College di Londra e dell’Università di Nottingham ha messo a punto un esperimento di laboratorio per verificare – con un interferometro atomico – la presenza di una quinta forza fondamentale, probabile candidata per l’energia oscura. Sebbene non siano state rilevate tracce di nuove forze, i risultati pubblicati su Physical Review Letters impongono forti vincoli sulle corrispondenti teorie
Nell’immagine una simulazione della struttura su larga scala dell’Universo rivela la rete cosmica di galassie, disposte lungo filamenti, e le vaste regioni di vuoto. L’energia oscura permea tutto lo spazio. Crediti: Nico Hamaus, Universitäts-Sternwarte München, Ohio State University
L’espansione accelerata dell’universo è da sempre oggetto di grande mistero e fonte inesauribile di studi ed esperimenti. Il modello che attualmente spiega tale accelerazione chiama in causa l’energia oscura: circa il 70 per cento della massa-energia dell’universo è costituita da un’ipotetica forma di energia diffusa omogeneamente nello spazio che, grazie a una grande pressione negativa, contrasta il collasso gravitazionale favorendo l’espansione accelerata.
Alcuni fisici ritengono che l’energia oscura sia una quinta forza fondamentale – dopo la forza elettromagnetica, l’interazione debole, quella forte e la gravità – ma che si manifesti soltanto su grandi scale spaziali, dove la densità di materia è molto bassa. Su scale più piccole e a densità elevate gli effetti di questa forza vengono schermati. In questi casi predomina la fisica descritta dalla relatività generale.
Negli anni sono stati proposti diversi meccanismi che possono schermare gli effetti di questa forza. Due di questi sono di particolare interesse per i fisici teorici: sono i modelli ‘camaleonte’ e ‘simmetrone’, ed entrambi si basano sugli effetti di un campo scalare. Nel primo caso, nello spazio profondo dove la densità di materia è molto bassa il campo è debole, e media una quinta forza su scale molto grandi. In prossimità di densità elevate, invece, il campo acquisisce un alto valore della massa, il che implica scale d’azione molto piccole per questa forza, rendendola di fatto inosservabile. Nel caso del simmetrone il campo è legato al valore di aspettazione del vuoto e assume valori molti elevati in regioni a bassa densità e, al contrario, valori molto bassi in zone ad alta densità.
L’interferometro atomico utilizzato per la ricerca dell’energia oscura. Crediti: Imperial College of London
Per misurare gli effetti di questi meccanismi e stabilire l’esistenza di una quinta forza fondamentale, i ricercatori dell’Imperial College di Londra e dell’Università di Nottingham hanno testato la possibilità che essa agisca a livello atomico. Infatti, per gli effetti di schermatura, se nell’esperimento venissero utilizzate grandi masse, la forza sarebbe troppo debole per essere misurata.
Il gruppo di scienziati ha dunque utilizzato un interferometro atomico – uno strumento che utilizza la stessa tecnica degli interferometri ottici ma sfrutta il dualismo onda-particella – e piazzato una sfera di alluminio in una camera a vuoto dove atomi di rubidio-87 possono entrarvi in caduta libera. L’idea alla base dell’esperimento è che, se una quinta forza fosse in azione tra la sfera e l’atomo, allora la traiettoria dell’atomo dovrebbe deviare leggermente nel passaggio ravvicinato alla sfera. Tuttavia non è stata rilevata alcuna differenza nel percorso dell’atomo e, quindi, nessuna nuova forza ha agito durante l’esperimento.
«Questo esperimento che connette la fisica atomica con la cosmologia», riferisce il professor Edmund J. Copeland, tra gli autori dello studio pubblicato su Physical Review Letters,«ci ha permesso di escludere una grande varietà di modelli che erano stati proposti per spiegare la natura dell’energia oscura e ci permetterà di vincolare molti più modelli».
Sebbene la misteriosa quinta forza non sia stata individuata, gli scienziati sono fiduciosi di ripetere l’esperimento con un maggiore livello di precisione. Abbassando il rumore statistico introdotto dalla strumentazione, sarà possibile porre vincoli ancora più stringenti alle teorie sull’origine dell’energia oscura. Questo test apre dunque la strada a esperimenti in laboratorio per studi cosmologici. L’evento è di particolare interesse perché, come ricorda il professor Ed Hinds dell’Imperial College, co-autore della ricerca, «è molto eccitante essere capaci di scoprire qualcosa a proposito dell’evoluzione dell’universo utilizzando un esperimento da tavolo in uno scantinato a Londra.»
[Articolo originariamente pubblicato su Media Inaf il 21.08.2019 – A caccia dell’energia oscura in uno scantinato]