di Gloria Nobile
Nelle prime settimane di luglio sono stati installati per la prima volta due campioni di test per l’esperimento Archimedes, ospitato dal laboratorio SAR-GRAV nell’area dell’ex miniera di Sos Enattos, la località italiana candidata a ospitare il futuro osservatorio di onde gravitazionali Einstein Telescope e in cui sono già in corso importanti esperimenti scientifici.
Archimedes si inserisce a pieno titolo nel contesto della fisica fondamentale: è infatti un esperimento che mira a “pesare il vuoto”, cioè a misurare l’interazione tra le fluttuazioni del vuoto elettromagnetico e il campo gravitazionale (avevamo parlato dei primi risultati dell’esperimento già lo scorso marzo).
In meccanica quantistica, un vuoto non è veramente tale, ma è “riempito” da particelle e antiparticelle che continuamente si creano e distruggono, causando incessanti fluttuazioni di energia detta, appunto, del vuoto. In relatività generale, l’energia è equivalente alla massa, secondo la nota equazione E = mc²: questo significa che ogni forma di energia “classica” esercita una forza gravitazionale e ha un peso, generalmente molto piccolo. Per quanto riguarda l’energia del vuoto, che è una forma di energia quantistica, non è chiaro se e quanto essa abbia un peso misurabile. Nel tentativo di rilevarlo, Archimedes deve operare in condizioni di assoluto silenzio sismico e antropico proprio a Sos Enattos che, grazie alle sue caratteristiche geologiche uniche in Europa, è un luogo ideale per esperimenti di questo tipo.
Archimedes è una bilancia ultrasensibile costituita da due bracci sospesi, uno inferiore lungo circa un metro e quaranta centimetri, leggero e con un momento di inerzia ridotto – che gli conferisce maggiore facilità di movimento e quindi più reattività ai cambiamenti di peso – e uno superiore con un momento di inerzia più elevato (dunque meno suscettibile a piccole oscillazioni) e che funge da tiltmetro di riferimento per misure dell’inclinazione di alta precisione.
L’apparato sperimentale è stato assemblato nel tempo, con l’ultimo aggiornamento effettuato nelle prime settimane di luglio. Questa volta sono state aggiunte le sospensioni al braccio inferiore, dove sono stati appesi campioni di prova per testare la risposta della bilancia: le variazioni di peso dei campioni causano un’inclinazione del braccio inferiore rispetto a quello superiore, che è invece progettato per esserne poco influenzato. In questo modo, la bilancia è in grado di misurare le oscillazioni relative tra i due bracci, determinando i cambiamenti nel peso dei campioni.
«Se entrambi i bracci venissero scossi da un sisma, si muoverebbero insieme e il tilt relativo, ovvero la differenza di inclinazione tra i due bracci, sarebbe zero», spiega Luciano Errico, ricercatore all’Università “Federico II” di Napoli e coinvolto nell’attività scientifica dell’esperimento Archimedes. «Tuttavia, se il braccio inferiore – in fase di misura come bilancia – rileva una variazione di peso, inizia a oscillare; il braccio superiore invece, privo di perturbazioni, rimane stabile e quindi si osserva un tilt relativo tra i due bracci».
In autunno è inoltre prevista l’installazione di un sistema di modulazione termica per scaldare uno dei due campioni e osservare se il cambiamento termico determina un aumento del suo peso. L’obiettivo è quello di rilevare il cosiddetto “peso del calore”, per verificare un effetto della relatività generale di Albert Einstein non ancora dimostrato sperimentalmente, a quasi cento anni dalla sua previsione teorica.
Per garantire la massima sensibilità, il design della bilancia è stato concepito per ridurre l’influenza di sismi e altri disturbi ambientali. «Questo tipo di misura del peso diventa così indipendente dalle oscillazioni del terreno. Inoltre, ci troviamo a Sos Enattos, dove l’attività sismica è ridotta», conclude Errico. «Adottando un doppio braccio siamo ulteriormente isolati dalle vibrazioni sismiche».
I dati di questo esperimento risultano dunque molto utili anche per la ricerca di onde gravitazionali: il monitoraggio delle oscillazioni del suolo è infatti cruciale anche per il successo di Einstein Telescope che, se sarà ospitato nel sito di Sos Enattos, opererebbe nello stesso contesto geofisico di Archimedes.
L’esperimento Archimedes è coordinato da Enrico Calloni – professore ordinario presso l’Università “Federico II” di Napoli e associato alla sezione di Napoli dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN) – ed è frutto di una collaborazione guidata dall’INFN, cui partecipano le Università di Sassari, “Federico II” di Napoli e Sapienza di Roma, lo European Gravitational Observatory (EGO), l’Istituto Nazionale di Ottica del CNR (CNR-INO) e il Centro di fisica teorica dell’Università di Marsiglia (Francia).