Questa dimostrazione convalida il meccanismo di cancellazione del rumore su cui dipendono i futuri rilevatori quantistici su larga scala, progettati per dare la caccia alla materia oscura e alle onde gravitazionali.

Come funziona la tecnica differenziale

Il prototipo realizzato è essenzialmente un gradiometro atomico. Per capire come funziona, immaginate due "nuvole" di atomi di stronzio-87 (⁸⁷Sr) ultrafreddi, sospese in posizioni diverse e illuminate dallo stesso impulso di un unico laser "orologio", ovvero estremamente stabile .

Ecco il passaggio chiave:

• Il problema del rumore: il laser, per quanto stabile, introduce un inevitabile "rumore di fase", una sorta di vibrazione indesiderata che è molto più grande dei debolissimi segnali che si vogliono catturare (come un'increspatura dello spazio-tempo o un campo di materia oscura) .
• La soluzione: poiché entrambe le nuvole di atomi sono interrogate dallo stesso laser, il rumore di fase è identico per entrambi gli interferometri. È quello che i fisici chiamano un "rumore di modo comune" .
• La misura differenziale: l'esperimento misura la differenza di fase tra i due interferometri. Il rumore comune, essendo identico, si cancella perfettamente. Un segnale reale, invece, come un'onda gravitazionale che deforma lo spazio in modo diverso nei due punti, produrrà una differenza di fase che sopravvive all'operazione .

Nel loro test, i ricercatori hanno spinto questo concetto all'estremo. Hanno aggiunto artificialmente un rumore di fase molto superiore a quello prodotto da un normale laser da laboratorio, simulando le condizioni che si avrebbero in un rilevatore con bracci lunghi centinaia di metri. Ogni interferometro, da solo, era completamente accecato dal rumore. Eppure, la correlazione tra i due ha comunque permesso di rivelare il segnale nascosto .

I piani di sviluppo: dal tavolo di laboratorio a un chilometro sottoterra

Questo successo non è un traguardo isolato, ma il primo passo di un ambizioso programma internazionale chiamato AION (Atom Interferometer Observatory and Network), guidato dall'Imperial College di Londra e sostenuto da un consorzio di sette istituzioni britanniche .

AION segue un percorso a quattro tappe, come una matrioska tecnologica che cresce in dimensioni e sensibilità :

1. AION-10 (Fase 1): un interferometro con un tubo a vuoto verticale di 10 metri, attualmente in costruzione presso l'Università di Oxford (nell'edificio Beecroft), con l'obiettivo di entrare in funzione entro 2-3 anni .
2. AION-100 (Fase 2): un rivelatore con una linea di base di 100 metri. Sono in corso le valutazioni per trovare un sito sotterraneo adatto nel Regno Unito. Se i finanziamenti saranno approvati, l'obiettivo è iniziare a raccogliere dati prima del 2030 .
3. AION-1000 (Fase 3): un rivelatore sotterraneo di 1 chilometro, che raggiungerà la massima sensibilità nella banda di frequenza tra pochi millihertz e pochi hertz. Una regione dello spettro gravitazionale oggi invisibile a strumenti come LIGO e Virgo, e che potrebbe rivelare fusioni di buchi neri primordiali o segnali dall'universo appena nato .
4. Rete Globale (Fase 4): collegare più rilevatori in una rete mondiale per localizzare con precisione le sorgenti dei segnali.

Collaborazioni internazionali

Il progetto AION non viaggia da solo. Due partnership globali sono fondamentali per il suo successo:

• Fermilab / MAGIS-100 (USA): nel gennaio 2024, il Fermilab di Chicago ha firmato un accordo internazionale con le istituzioni britanniche per collaborare a MAGIS-100, un interferometro atomico di 100 metri in costruzione in un pozzo verticale del laboratorio americano. MAGIS-100 cercherà materia oscura ultraleggera e testerà la sovrapposizione quantistica su scale macroscopiche, condividendo tecnologia e dati con AION .
• CERN (Svizzera/Francia): studi esplorativi, supportati dal gruppo di lavoro "Physics Beyond Colliders" (PBC), hanno valutato la possibilità di ospitare un interferometro atomico verticale di circa 100 metri nelle infrastrutture del CERN, aprendo a sinergie nello sviluppo tecnologico .

Questa dimostrazione convalida il meccanismo di cancellazione del rumore su cui dipendono i futuri rilevatori quantistici su larga scala, progettati per dare la caccia alla materia oscura e alle onde gravitazionali.

Come funziona la tecnica differenziale

Il prototipo realizzato è essenzialmente un gradiometro atomico. Per capire come funziona, immaginate due "nuvole" di atomi di stronzio-87 (⁸⁷Sr) ultrafreddi, sospese in posizioni diverse e illuminate dallo stesso impulso di un unico laser "orologio", ovvero estremamente stabile .

Ecco il passaggio chiave:

• Il problema del rumore: il laser, per quanto stabile, introduce un inevitabile "rumore di fase", una sorta di vibrazione indesiderata che è molto più grande dei debolissimi segnali che si vogliono catturare (come un'increspatura dello spazio-tempo o un campo di materia oscura) .
• La soluzione: poiché entrambe le nuvole di atomi sono interrogate dallo stesso laser, il rumore di fase è identico per entrambi gli interferometri. È quello che i fisici chiamano un "rumore di modo comune" .
• La misura differenziale: l'esperimento misura la differenza di fase tra i due interferometri. Il rumore comune, essendo identico, si cancella perfettamente. Un segnale reale, invece, come un'onda gravitazionale che deforma lo spazio in modo diverso nei due punti, produrrà una differenza di fase che sopravvive all'operazione .

Nel loro test, i ricercatori hanno spinto questo concetto all'estremo. Hanno aggiunto artificialmente un rumore di fase molto superiore a quello prodotto da un normale laser da laboratorio, simulando le condizioni che si avrebbero in un rilevatore con bracci lunghi centinaia di metri. Ogni interferometro, da solo, era completamente accecato dal rumore. Eppure, la correlazione tra i due ha comunque permesso di rivelare il segnale nascosto .

I piani di sviluppo: dal tavolo di laboratorio a un chilometro sottoterra

Questo successo non è un traguardo isolato, ma il primo passo di un ambizioso programma internazionale chiamato AION (Atom Interferometer Observatory and Network), guidato dall'Imperial College di Londra e sostenuto da un consorzio di sette istituzioni britanniche .

AION segue un percorso a quattro tappe, come una matrioska tecnologica che cresce in dimensioni e sensibilità :

1. AION-10 (Fase 1): un interferometro con un tubo a vuoto verticale di 10 metri, attualmente in costruzione presso l'Università di Oxford (nell'edificio Beecroft), con l'obiettivo di entrare in funzione entro 2-3 anni .
2. AION-100 (Fase 2): un rivelatore con una linea di base di 100 metri. Sono in corso le valutazioni per trovare un sito sotterraneo adatto nel Regno Unito. Se i finanziamenti saranno approvati, l'obiettivo è iniziare a raccogliere dati prima del 2030 .
3. AION-1000 (Fase 3): un rivelatore sotterraneo di 1 chilometro, che raggiungerà la massima sensibilità nella banda di frequenza tra pochi millihertz e pochi hertz. Una regione dello spettro gravitazionale oggi invisibile a strumenti come LIGO e Virgo, e che potrebbe rivelare fusioni di buchi neri primordiali o segnali dall'universo appena nato .
4. Rete Globale (Fase 4): collegare più rilevatori in una rete mondiale per localizzare con precisione le sorgenti dei segnali.

Collaborazioni internazionali

Il progetto AION non viaggia da solo. Due partnership globali sono fondamentali per il suo successo:

• Fermilab / MAGIS-100 (USA): nel gennaio 2024, il Fermilab di Chicago ha firmato un accordo internazionale con le istituzioni britanniche per collaborare a MAGIS-100, un interferometro atomico di 100 metri in costruzione in un pozzo verticale del laboratorio americano. MAGIS-100 cercherà materia oscura ultraleggera e testerà la sovrapposizione quantistica su scale macroscopiche, condividendo tecnologia e dati con AION .
• CERN (Svizzera/Francia): studi esplorativi, supportati dal gruppo di lavoro "Physics Beyond Colliders" (PBC), hanno valutato la possibilità di ospitare un interferometro atomico verticale di circa 100 metri nelle infrastrutture del CERN, aprendo a sinergie nello sviluppo tecnologico .