Problemi aperti in Meccanica quantistica

Il progetto consiste in un programma integrato teorico e sperimentale volto ad affrontare problemi aperti della meccanica quantistica e della sua unificazione con la gravità. La ricerca si concentra sull’analisi della connessione spin-statistica e sul collasso spontaneo della funzione d’onda, impiegando tecniche avanzate di fisica atomica in una serie di esperimenti che sfruttano tecnologie all’avanguardia. Nell’ambito del progetto vengono sviluppati e utilizzati innovativi Silicon-Drift-Detectors (SDD) e rivelatori al Germanio ad alta purezza (HPGe). Algoritmi Machine Learning (ML) e Convolutional Neural Network (CNN) sono ottimizzati per la pulse shape analysis, la selezione degli eventi e l’interpretazione dei dati al fine di identificare deviazioni o caratteristiche spettrali inattese, che potrebbero indicare segnali di nuova fisica.

PAMQ pone i limiti più forti su vari modelli di gravità quantistica e di collasso spontaneo, fornendo un potente strumento per indagare le simmetrie fondamentali della natura e avanzando la nostra comprensione verso una teoria unificata.

Violazione della connessione spin-statistica – Il Principio di Esclusione di Pauli (PEP) discende dal teorema spin-statistica, fondamentale per la stabilità della materia quantistica e legato a principi del Modello Standard (MS) come l’invarianza di Lorentz e la simmetria CPT. La sua indagine fenomenologica costituisce un test estremamente sensibile dei fondamenti del MS. Fin dai lavori di Fermi sono state esplorate possibili violazioni delle statistiche; oggi emergono due principali filoni:

• Gravità Quantistica (QG) – La QG è una sfida centrale della fisica moderna, anche per l’inaccessibilità sperimentale diretta della scala di Planck. PAMQ ha dimostrato che la ricerca di transizioni atomiche PEP-violanti consente di testare modelli effettivi di QG, come Non-Commutative-QG (NCQG) e Minimal Length, imponendo vincoli estremamente stringenti, con sensibilità fino alla scala di Planck. In tali teorie l’invarianza di Lorentz risulta deformata, implicando violazioni della spin-statistica e del PEP.
• “Quon” model [Phys. Rev. Lett. 83,4460 (1999)] – Soggetto alla superselezione Messiah-Greenberg MG, consente test solo in sistemi aperti, introducendo fermioni test in sistemi pre-esistenti. La natura fenomenologica richiede l’esplorazione di un ampio spettro di processi PEP-violanti lungo la tavola periodica. Recenti sviluppi nei modelli di parastatistica [Nature 637,314–318 (2025)] richiedono verifiche dedicate. PAMQ ha posto il limite più stringente [4].

Modelli di collasso spontaneo – Il principio di sovrapposizione, valido a livello microscopico, non si manifesta macroscopicamente, generando il problema della misura. PAMQ studia modelli di collasso spontaneo, come quelli gravitazionali di Diosi e Penrose (DP) o il CSL, che risolvono il problema [Rev. Mod. Phys. 85, 471 (2013)] e prevedono una caratteristica radiazione spontanea. Il DP ha stimolato sviluppi nella decoerenza gravitazionale in QG [Nat. Comm. 12,4449 (2021)] e [38], nonché le Hybrid Dynamics [Phys. Rev. X 13,041040, (2023)]. In questo contesto PAMQ sviluppa un nuovo approccio che combina spin-statistica e decoerenza per testare teorie di campo unificate.

L’attività sperimentale di PAMQ si svolge nell’ambito dell’esperimento VIP, che utilizza rivelatori avanzati di raggi X e gamma nell’ambiente a bassissimo background dei Laboratori Nazionali del Gran Sasso dell’INFN, di cui il responsabile PAMQ è anche responsabile nazionale INFN.