Nel Mediterraneo profondo con un sottomarino alla ricerca di gravità quantistica

Un nuovo studio, pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP), non ha rilevato segnali attribuibili a effetti di gravità quantistica nei neutrini osservati dal rivelatore sottomarino KM3NeT/ORCA nel Mar Mediterraneo. Al contrario di quel che potrebbe sembrare, il risultato è significativo perché stabilisce nuovi limiti sperimentali alla decoerenza quantistica nelle oscillazioni dei neutrini, un fenomeno che potrebbe indicare l’esistenza di effetti di gravità quantistica, un tassello cruciale per la comprensione dell’Universo e delle sue leggi fondamentali. I limiti individuati contribuiscono agli sforzi in corso per unificare la meccanica quantistica e la relatività generale.

La gravità quantistica rappresenta l’anello mancante tra la relatività generale e la meccanica quantistica che ancora ci manca per una teoria unificata capace di spiegare sia l’infinitamente grande che l’infinitamente piccolo. Questo vuoto potrebbe colmarsi grazie ad una particella tanto umile quanto sfuggente: il neutrino, un particella elementare senza carica elettrica, quasi invisibile, che interagisce raramente con la materia, che di solito attraversa il nostro pianeta senza  lasciare tracce.

Per tutte queste loro caratteristiche, i neutrini sono difficili da rilevare. In rari casi però un neutrino può interagire — per esempio — con le molecole d’acqua sul fondo del mare. Le particelle emesse in questa interazione producono un “bagliore blu” noto come radiazione Čerenkov, che può essere captato da strumenti come KM3NeT.

Il KM3NeT (Kilometer Cube Neutrino Telescope) è un grande osservatorio sottomarino progettato proprio per rilevare i neutrini. È diviso in due rivelatori, uno dei quali, ORCA (Oscillation Research with Cosmics in the Abyss), è stato utilizzato per questa ricerca. Si trova al largo di Tolone, in Francia, a una profondità di circa 2.450 metri.

Per trarre conclusioni sulle proprietà della gravità quantistica non basta però osservare semplicemente i neutrini. Bisogna cercare anche indizi di “decoerenza“.

Durante il loro viaggio nello spazio, i neutrini possono cambiare identità — un fenomeno che gli scienziati chiamano oscillazione. La coerenza è una proprietà fondamentale di queste oscillazioni: un neutrino non ha una massa definita, ma esiste come sovrapposizione quantistica di tre stati di massa diversi. La coerenza mantiene ben definita questa sovrapposizione, permettendo alle oscillazioni di avvenire in modo regolare e prevedibile. Tuttavia, gli effetti della gravità quantistica potrebbero attenuare o persino sopprimere queste oscillazioni, in un fenomeno noto come decoerenza.

“Esistono diverse teorie della gravità quantistica che prevedono questo effetto, perché sostengono che il neutrino non sia un sistema isolato, ma possa interagire con l’ambiente”, spiega Nadja Lessing, fisica dell’Instituto de Física Corpuscular dell’Università di Valencia e corresponding author dello studio, che include contributi di centinaia di ricercatori da tutto il mondo.

“Dal punto di vista sperimentale,” prosegue, “sappiamo che un segnale di questo tipo sarebbe la soppressione delle oscillazioni dei neutrini.” Ciò accadrebbe perché, durante il suo viaggio verso di noi — o, più precisamente, verso i sensori di KM3NeT sul fondo del Mediterraneo — il neutrino potrebbe interagire con l’ambiente in un modo che ne altera o ne sopprime le oscillazioni.

Tuttavia, nello studio di Lessing e colleghi, i neutrini analizzati dal rivelatore sottomarino KM3NeT/ORCA non hanno mostrato segni di decoerenza, un risultato molto utile.

“Questo,” spiega Lessing, “significa che, se la gravità quantistica altera le oscillazioni dei neutrini, lo fa con un’intensità inferiore ai limiti di sensibilità attuali.” Lo studio ha fissato dei limiti superiori all’intensità di questo effetto, che risultano ora più stringenti rispetto a quelli stabiliti da precedenti esperimenti con neutrini atmosferici. Inoltre, offre indicazioni utili per orientare future ricerche.

“Rilevare la decoerenza dei neutrini sarebbe una scoperta enorme,” conclude Lessing. Finora, nessuna evidenza diretta della gravità quantistica è mai stata osservata, ed è per questo che gli esperimenti con i neutrini stanno attirando un’attenzione crescente. “C’è un interesse sempre maggiore verso questo tema. Chi lavora sulla gravità quantistica è molto interessato, perché probabilmente non si riuscirebbe a spiegare la decoerenza con nient’altro.”