Problematiche Aperte della Meccanica Quantistica

Il progetto Problematiche Aperte della Meccanica Quantistica (PAMQ) è dedicato a test di altissima sensibilità di due pilastri della Meccanica Quantistica, sulla cui validità si fonda la stabilità della materia (a tutti i livelli, da quello subatomico a quello macroscopico) e la percezione stessa che noi abbiamo della realtà. PAMQ consiste dunque di due esperimenti, riguardanti lo studio del Principio di Esclusione di Pauli (PEP) e del collasso della funzione d’onda. Io sono il Responsabile Nazionale di questi esperimenti.

Il PEP prevede che non possa esistere un sistema di due (o più) fermioni aventi tutti i numeri quantici identici. Il PEP è uno dei principi fondamentali della fisica moderna ed è valido ad ogni scala, dando ragione ad esempio della struttura degli atomi, come della stabilità delle stelle di neutroni. Il PEP è una conseguenza del teorema di spin statistica, che può essere provato sulla base di alcune assunzioni (simmetrie di Lorentz/Poincaré e CPT, località, unitarietà e causalità) che sono fortemente legate alla struttura stessa dello spazio e del tempo. Estensioni della teoria Quantistica dei Campi (ad esempio la Gravità Quantistica) ammettono, tuttavia, violazioni della spin-statistica; di conseguenza evidenza sperimentale di una, seppur piccola, violazione di PEP sarebbe una indicazione chiara di fisica oltre il Modello Standard.

L’esperimento VIP-2 (VIolation of the Pauli exclusion principle) ha l’obbiettivo di ricercare l’esistenza di “atomi impossibili” che violerebbero il Principio di Esclusione di Pauli (PEP) per gli elettroni. La tecnica sperimentale consiste nel far circolare una corrente continua in un target di rame e nella ricerca di una transizione Kα PEP-violante (2p → 1s in Cu, quando il livello 1s è già occupato da due elettroni). Come conseguenza dello shielding aggiuntivo, dovuto alla presenza di due elettroni nello stato fondamentale, la transizione Kα violante è shiftata di circa 300 eV rispetto alla riga standard. Il segnale è rilevabile mediante l’utilizzo di Silicon Drift Detectors (SDDs) che sono specificatamente sviluppati e caratterizzati per questo esperimento. L’esperimento VIP-2 pone i limiti più stringenti sulla probabilità di violazione di PEP, e testa i modelli di Gravità Quantistica con una sensitività che è ordini di grandezza maggiore della scala di energia raggiungibile al Large Hadron Collider.

In Meccanica Quantistica il processo di misura non è spiegato dalla teoria, il collasso della funzione d’onda è postulato: uno stato quantistico consiste nella sovrapposizione di tutti gli stati permessi, fin quando non viene osservato ed allora collassa sullo stato che è effettivamente misurato. Il secondo esperimento studia i modelli di collasso, evoluzioni della Meccanica Quantistica che spiegano il fenomeno del collasso come processo dinamico. I modelli predicono l’emissione di radiazione spontanea, conseguenza del meccanismo di collasso, il cui segnale è ricercato mediante High Purity Germanium detectors e target di piombo Romano di estrema radio-purezza, che ci rendono in grado di porre i limiti più stringenti, oppure di rigettare, tali modelli.

Le misure sono effettuate nei Laboratori Sotterranei del Gran Sasso. Sei ordini di grandezza di soppressione dei raggi cosmici ci forniscono quel silenzio cosmico, indispensabile per svelare i misteri più sfuggenti del nostro Universo quantistico.

I nostri studi hanno implicazioni tecnologiche, i rivelatori SDD possono essere utilizzati per applicazioni mediche e industriali, inoltre i test dei modelli di collasso hanno impatto sulle emergenti tecnologie quantistiche.