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Uno spremi-rumori quantici per onde gravitazionali

Fino ad un anno fa, l’osservatorio Ligo, riusciva a individuare i segnali prodotti dalle onde gravitazionali più o meno una volta al mese. Ora, grazie all’aggiunta di un nuovo strumento, le sue potenzialità sono aumentate fino a garantire la rilevazione delle onde gravitazionali quasi una  volta a settimana. Il nuovo arrivato, si chiama quantum vacuum squeezer, è stato progettato, costruito ed integrato dai ricercatori dell’Mit di Boston e dall’aprile scorso, ha già individuato dozzine di segnali di onde gravitazionali, incluso uno che sembra essere stato originato da una stella binaria di neutroni.

Nello specifico lo strumento ‘spreme’ proprio come farebbe uno spremiagrumi il rumore quantico – ovvero le fluttuazioni minime dello spazio che vengono percepite dai rilevatori come Ligo. I segnali prodotti dalle onde gravitazionali sono infatti così flebili da poter essere contaminati da questo tipo di rumore. Grazie alla nuova tecnologia squeezer, Ligo è ora in grado di eliminare questo rumore ampliando la sua portata del 15 percento. Ciò vuol dire che ora è in grado di captare un’onda gravitazionale generata da una sorgente nell’Universo a circa 140 megaparsecs, a più di 400 milioni di anni luce di distanza, su base quasi settimanale.

Ligo è costituito da due rivelatori identici, uno ad Hanford, Washington e l’altro a Livingston, Louisiana ed entrambi sono forniti di due tunnel di 4 chilometri, detti anche bracci, a forma di L. Per rilevare un’onda gravitazionale, gli scienziati inviano un raggio laser dall’angolo del rilevatore a forma di L, lungo ciascun braccio, al termine del quale è sospeso uno specchio. Successivamente, Il laser rimbalza dal rispettivo specchio e si sposta indietro lungo ciascun braccio fino al punto di partenza. Se un’onda gravitazionale attraversa il rilevatore, dovrebbe spostare una o entrambe le posizioni degli specchi, il che a sua volta influirebbe sulla tempistica dell’arrivo di ciascun laser alla sua origine. Questo dato viene utilizzato dai ricercatori per identificare un segnale di onda gravitazionale.

Il quantum vacuum squeezer

Il team dell’Mit ha iniziato a lavorare sullo squeezer almeno quindici anni fa con l’obiettivo di rilevare le onde gravitazionali più deboli e più distanti che altrimenti sarebbero coperte dal rumore quantico. Intorno al 2002, quando Ligo ha  iniziato la caccia alle onde gravitazionali, i ricercatori hanno pensato di utilizzare la compressione quantistica, una teoria proposta per la prima volta negli anni ottanta, per ridurre il rumore quantico che maschera le onde deboli. Da qui è nata l’dea dello squeezer, testato per la prima volta nel 2010 con risultati incoraggianti.

Da allora, il team ha perfezionato il design dello strumento integrandolo su entrambi i rilevatori Ligo. Il cuore operativo dello squeezer, è un oscillatore parametrico ottico (Opo) un dispositivo che contiene un piccolo cristallo all’interno di una configurazione di specchi. Quando gli scienziati dirigono un raggio laser verso il cristallo, gli atomi di quest’ultimo facilitano le interazioni tra il laser e il vuoto quantico in un modo che riorganizza le loro proprietà di fase rispetto all’ampiezza, creando un nuovo vuoto ‘schiacciato’ che poi si sposta lungo ciascun braccio del rilevatore. Questo vuoto compresso, possiede delle fluttuazioni di fase minori rispetto a un normale vuoto, consentendo agli scienziati di rilevare meglio le onde gravitazionali.

Oltre a questa funzione, lo squeezer può aiutare gli scienziati ad individuare le fonti delle onde gravitazionali. «Lo strumento ci aiuta ad ottenere misurazioni sempre più precise – afferma Nergis Mavalvala a capo del dipartimento di Fisica dell’Mit – e conferma che qualche volta è anche possibile aggirare le leggi della natura».

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