Mercoledì 4 ottobre è stato inaugurato presso l’edificio Povo Zero dell’Università di Trento il Laboratorio di Interferometria e ottica quantistica per le onde gravitazionali. Si tratta di una sala sperimentale completamente nuova, un laboratorio di ricerca che dopo alcuni anni di lavori in collaborazione con l’INFN (Istituto Nazionale di Fisica Nucleare) è ora pronto per essere sfruttato.
Questo spazio era atteso da tutti i ricercatori del Dipartimento di Fisica, ma coinvolgerà l’intera comunità scientifica che da anni si dedica all’osservazione delle onde gravitazionali. Circa un secolo dopo che Albert Einstein ha previsto la loro esistenza, la loro osservazione ha rivoluzionato il nostro approccio allo studio dell’Universo. La loro misurazione fornisce nuove prospettive per studiare la nascita, evoluzione e composizione dell’Universo.
Gli scienziati dell’Università di Trento, membri della collaborazione scientifica internazionale Virgo, hanno svolto un ruolo cruciale nel progresso delle ricerche sulle onde gravitazionali. Hanno contribuito sia all’osservazione e all’analisi dei dati, sia alla realizzazione della sofisticata strumentazione necessaria per rilevarle. Questa collaborazione è stata resa possibile grazie al lavoro congiunto con l’INFN nell’ambito del Trento Institute for Fundamental Physics and Applications (TIFPA).
L’apertura di questo laboratorio rafforzerà le attività di ricerca e sviluppo condotte dall’Università di Trento nel contesto del progetto Virgo. E contribuirà alla realizzazione dell’Einstein Telescope, un futuro osservatorio sotterraneo di nuova generazione in Europa.
Interferometria e ottica quantistica
L’interferometria gravitazionale è una tecnica utilizzata per rilevare le onde gravitazionali, perturbazioni dello spaziotempo che si verificano quando oggetti massicci, muovendosi, lo distorcono.
Il principio di base coinvolge l’uso di un raggio laser, suddiviso in due bracci perpendicolari. In uno dei bracci il laser percorre diversi chilometri, mentre l’altro segue un percorso simile, ma ortogonale. Alla fine di ciascun braccio, un riflettore altamente riflettente fa deviare il raggio laser verso il punto di partenza, dove i due fasci si sovrappongono e interferiscono tra loro.
La chiave per rilevare le onde gravitazionali sta nella precisione delle misurazioni dell’interferenza. Quando le onde gravitazionali attraversano il rivelatore, deformano lo spaziotempo, causando una variazione nella lunghezza di uno dei bracci rispetto all’altro. Questa differenza di lunghezza si traduce in cambiamenti nelle modalità di interferenza tra i raggi laser. L’interferometro è progettato per rilevare questi cambiamenti infinitesimali.
L’ottica quantistica gioca un ruolo fondamentale nell’aumentare la sensibilità degli strumenti di rilevamento. Sfruttando i principi della meccanica quantistica, è possibile realizzare sensori ottici più avanzati e precisi. Ad esempio, i rivelatori quantistici sono in grado di misurare le variazioni di fase dei raggi laser con estrema precisione, consentendo la rilevazione di onde gravitazionali estremamente deboli.
Il laboratorio
Delle caratteristiche più tecniche del nuovo laboratorio abbiamo parlato con Antonio Perreca, fisico sperimentale e professore all’Università di Trento che gestirà e sfrutterà il nuovo laboratorio insieme a Matteo Leonardi. Il prof. Perreca ci ha spiegato come il laboratorio sia una struttura in grado di accogliere tutti i nuovi progetti relativamente alle onde gravitazionali. “La vera avanguardia è ciò che ci metteremo con la ricerca” ha commentato Perreca, “è un po’ la nostra ‘sala operatoria'”.
Antonio Perreca ci ha spiegato che questo laboratorio permetterà di condurre esperimenti utili per capire come aumentare la precisione e la sensibilità degli interferometri. Tra le altre caratteristiche uniche di questo luogo, i banchi ottici del laboratorio sono appoggiati su una piattaforma diversa dal resto del pavimento, perché collegata direttamente alla montagna. Non è connessa in alcun modo al resto dell’edificio, “perché anche una sbattuta di porta in lontananza la misuriamo distintamente, grazie alla nostra sensibilità”.
Un’altra chicca è la regolazione della temperatura ambientale, che sarà costantemente più o meno a 0.1 gradi centigradi. Ciò permetterà di fare esperimenti che sono dipendenti dalla temperatura e per i quali se ci fossero fluttuazioni ambientali, i risultati sarebbero falsati, o comunque non attendibili.
“Abbiamo poi dispositivi a infrarossi” ha aggiunto Perreca. “Perché per le nostre tecniche, soprattutto quelle più avanzate che vanno a toccare dei comportamenti di natura quantistica della luce, abbiamo necessità di essere iper-precisi nel costruire l’esperimento. Abbiamo telecamere a infrarosso che guardano ciò che non possiamo vedere, ad esempio dove va il laser. In futuro ci saranno anche camere termiche.”
Esperimenti presenti e futuri
Il prof. Perreca ci ha spiegato che ci sono già degli esperimenti in corso, iniziati da poco, per i quali servirà qualche anno prima di vedere i risultati. Si occupano di sviluppare a grandi linee tecniche che servono a migliorare la sensibilità degli attuali interferometri di onde gravitazionali, che sono pochi nel mondo (uno in Italia, Virgo, due negli USA e uno in Giappone). “Noi abbiamo l’ambizione di migliorarne la sensibilità, e per farlo dobbiamo approvare delle tecniche. Qui sviluppiamo una tecnica che manipola la luce del laser, nella sua forma, e la correggiamo, la modelliamo come serve”.
In questo viene sfruttata l’ottica quantistica. L’idea infatti è quella di manipolare la luce in maniera tale da arginare il principio di indeterminazione di Heisenberg. Secondo questo principio, è impossibile conoscere con precisione simultaneamente la posizione e la quantità di moto di una particella subatomica, poiché la misura di una di queste grandezze comporta un’incertezza inevitabile nell’altra.
“Manipoleremo la luce in maniera tale da rendere il principio funzionale a ciò che vogliamo fare, perché esso setta dei limiti sulla precisione” ha spiegato Perreca. “Noi modelleremo la luce, pagando il prezzo di una minor precisione in una direzione per averne di più in un’altra, ottenendo quella che viene detta una luce squeezed”.
Tuttavia, questa luce opportunamente manipolata deve entrare nelle cavità ottiche con una forma fisica, un profilo che deve essere compatibile con gli specchi a disposizione. Se la tecnica utilizzata sfrutta l’ottica quantistica, ha bisogno di perdite di natura ottica quasi zero, ovvero di grandissima precisione. Che è messa a rischio quando un laser urta lo specchio, che anche se al milionesimo di metro, si muove. E gli effetti termici anche modificano la forma dello specchio, quindi il rimbalzo della luce.
“Allora dobbiamo essere in grado di fare un esperimento di sensing delle perdite” ha spiegato Perreca. “Per capire come leggerle. Che è un po’ come inventarsi una radiografia, una TAC. E poi dobbiamo correggere quelle perdite. Allora si crea uno specchio deformabile, che deformiamo in maniera tale da compensare quello che è successo alla luce”.
Tre sono quindi i rami principali verso cui si stanno direzionando gli esperimenti del laboratorio di Trento: la produzione di luce squeezed, che sfrutta l’ottica quantistica; il sensing delle perdite ottiche; la correction di queste perdite. Gli ultimi due sono già iniziati.
Perché proprio a Trento?
“Con la prima detection di onde gravitazionali nel 2015, questo campo ha avuto un’esplosione” ha spiegato Perreca. “Questa esplosione ha scaturito un nuovo modo di fare scienza tra i vari ambiti di studio dell’Universo. Si sono uniti astrofisici, astronomi, osservatori, teorici. C’è necessità di migliorare gli strumenti che captano onde gravitazionali per raccogliere più segnali, serve avere più informazioni sulle dinamiche dell’Universo. E a Trento, c’è tutto questo lavoro.”
Un percorso già iniziato, quindi, per un Università che già lavora con la collaborazione Virgo e che ora, grazie a questo laboratorio, permette di render finalmente reali progetti ed esperimenti finora solo nella mente degli scienziati.
“Io sono coordinatore di un disegno ottico del prossimo interferometro, di terza generazione, e alcune delle tecniche che poi saranno sfruttate, si sviluppano qui” ha detto ancora Perreca. “Qua perché non ci sono molti laboratori a disposizione, per proseguire spediti in questa direzione. Laboratori di questa taratura non saprei dove altro trovarne. E poi, Trento ha un carattere internazionale, ha voglia di espandersi. Qui possiamo sfruttare al meglio un gioiellino fatto ad hoc.”
