L’Aquila. VIP, esperimento situato presso i laboratori sotterranei del Gran Sasso dell’INFN, ha recentemente pubblicato sulle riviste Physical Review Letters e Physical Review D importanti risultati che hanno permesso di fissare dei limiti molto stringenti sulle possibili violazioni del principio di Pauli, uno dei cardini fondamentali della Meccanica Quantistica e del Modello Standard della fisica delle particelle.
La nostra comprensione dell’Universo, dalle particelle elementari alle stelle, si basa su due pilastri: la teoria quantistica e la relatività generale di Einstein. Einstein stesso, e tanti altri dopo di lui, hanno provato a mettere insieme queste due teorie in una sola – la teoria unificata della gravità quantistica. Una teoria che, oltre a descrivere l’Universo che conosciamo, ci dovrebbe svelare alcuni dei misteri della fisica moderna come l’esistenza della materia e dell’energia oscura, i buchi neri, e avvicinarci a capire meglio la storia e l’evoluzione dell’Universo stesso.
Non abbiamo attualmente una teoria della gravità quantistica che possa considerarsi completa; ci sono tuttavia alcune teorie proposte, come la teoria delle stringhe oppure la gravità quantistica a loop, che sono impossibili da dimostrare sperimentalmente in modo diretto con gli attuali acceleratori di particelle per le enormi energie necessarie da raggiungere.
Tuttavia, in questo ambito, vari modelli delle teorie di gravità quantistica prevedono effetti misurabili a scale di energia molto più piccole, e quindi anche senza l’utilizzo di acceleratori.
Uno degli effetti previsti da alcune di queste teorie è la violazione del principio di esclusione di Pauli – cioè quel principio che ci dice che in un atomo non esistono due elettroni che occupano insieme lo stesso stato quantistico, cioè che siano descritti dagli stessi identici numeri quantici. Questo principio è un caposaldo della fisica, e di consequenza anche della chimica, della biologia nonchè dell’astrofisica. Non è possibile attraversare un muro (la materia non è comprimibile) proprio perchè c’è il principio di esclusione di Pauli!
La violazione del principio di esclusione di Pauli prevista da queste teorie è, ovviamente, estremamente piccola, altrimenti l’Universo non esisterebbe più così come lo vediamo.
L’esperimento VIP-Lead ai Laboratori Nazionali del Gran Sasso dà la caccia a possibili violazioni del principio di Pauli, attraverso la ricerca di transizioni atomiche proibite proprio da questo principio. Se esistessero, queste transizioni darebbero origine ad atomi “impossibili”, cioè atomi che nell’ambito della Teoria Standard non dovrebbero esistere.
La misura è stata effettuata con un rivelatore di germanio ultrapuro, un cilindro con massa di circa 2 kg, che misura raggi X e gamma provenienti da un guscio di piombo romano ultrapuro che circonda il rivelatore, con una massa totale di circa 22 kg. Sono state ricercate transizioni negli atomi di piombo che violano il principio di Pauli. Tali transizioni dovrebbero manifestarsi attraverso la rivelazione/misurazione di raggi gamma di energia definita, che dimostrerebbe la presenza di un terzo elettrone nel livello fondamentale, ovvero una presenza proibita. Questa “impronta”, se osservata, sarebbe la prova sperimentale che il Principio di Pauli non è sempre valido e aprirebbe nuovi scenari nella fisica moderna.
Dopo un periodo di osservazione di circa 70 giorni tali atomi impossibili non sono stati trovati; l’esperimento dunque ha posto limiti molto forti sulla probabilità di violazione del principio di Pauli, che, a loro volta, sono stati tradotti nei più forti limiti provenienti da esperimenti che usano la fisica atomica per testare (alcuni) modelli di gravità quantistica. I risultati sono stati pubblicati recentemente nei due articoli citati nei quali si dimostra come esperimenti di altissima precisione effettuati nei laboratori sotterranei del Gran Sasso, come VIP, riescono ad escludere modelli di gravità quantistica oltre la cosiddetta scala di Planck – un limite ultimo per la validità delle nostre teorie, un confine oltre il quale ci aspetta l’ignoto.
“Ciò che è estremamente entusiasmante per noi è che con il nostro esperimento ai LNGS possiamo testare modelli di gravità quantistica con un’altissima precisione, il che è un punto di svolta, sia dal punto di vista teorico che sperimentale. Esplorare l’ignoto ha un fascino enorme, e ci aiuta a intravedere meglio nella fitta nebbia che avvolge la teoria oltre il Modello Standard”, dichiara Catalina Curceanu, portavoce della collaborazione VIP.
Attualmente la collaborazione VIP sta perfezionando l’apparato sperimentale per renderlo più sensibile ed effettuare misure ancora più precise, continuando a dare la caccia agli atomi impossibili e a teorie che prevedono la loro esistenza nella terra ignota della fisica oltre il Modello Standard.
