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10. Problemi Aperti in Meccanica Quantistica (PAMQ)

Problematiche Aperte della Meccanica Quantistica

Il progetto PAMQ è incentrato su verifiche sperimentali di altissima sensibilità del:

  • Principio di Esclusione di Pauli (PEP) per gli elettroni,
  • Collasso della funzione d’onda.

Il PEP rappresenta uno dei principi fondamentali della fisica moderna, sul quale si  fonda  la  nostra  comprensione  di  una  quantità  di  fenomeni  come  la  stabilita` della materia, la conduttività dei metalli e la struttura della stelle di neutroni. Il PEP `e stato originariamente formulato per gli elettroni e successivamente es- teso a tutti i fermioni con il teorema di spin-statistica, dimostrato nel contesto della Quantum Field Theory (QFT). Estensioni della QFT  ammettono,  tuttavia, violazioni di spin-statistica, dunque evidenza sperimentale di una, anche piccola, violazione di PEP sarebbe una indicazione di fisica oltre il Modello Standard. Possibili motivazioni per una violazione del PEP sono: extra-dimensioni, non-commutatività  delle  coordinate  spazio-temporali,  violazione  della  simmetria  di  Lorentz  o  della  microcausalità  oppure  di  alcuni  tipi  di  non-località. L’esperimento VIP-2 comprende due filoni di ricerca complementari, ciascuno caratterizzato da un set di esperimenti  dedicati

Fig. La figura mostra: pannello a) in alto – schema dell’esperimento VIP-2 rame, nella camera da vuoto sono riconoscibili il target, i rivelatori Silicon Drift Detectors, il sistema di raffreddamento ed il sistema di veto. Pannello a) in basso – fit dello spettro misurato di radiazione X e corrispondenti residui, nella regione di interesse per la ricerca di eventuali transizioni K alpha PEP violanti in rame (la posizione predetta per la riga violante è indicata dalla freccia rossa). Pannello b) in alto – spettro di radiazione misurato con rivelatore High Purity Germanium; le righe del 60Co sono evidenziate nell’inset in verde, la regione di interesse (ROI) per l’emissione di radiazione spontanea, da collasso indotto gravitazionalmente, è indicata in grigio. Pannello b) in basso – rappresentazione delle componenti interne dell’apparato sperimentale: 1 - Ge crystal, 2 - Electric contact, 3 - Plastic insulator, 4 - Copper cup, 5 - Copper end-cup, 6 - Copper block and plate, 7 - Inner Copper shield, 8 - Lead shield.

VIP-2 Open Systems rappresenta il test più  sensibile della validità del PEP per elettroni nel contesto delle Local Quantum Field Theories. Queste teorie sono vincolate dalla regola di superselezione di Messiah-Greenberg (MG), che vieta   la transizione fra stati di  simmetria  diversa e possono essere testate soltanto      in sistemi aperti,  condizione realizzata in VIP-2 introducendo elettroni nuovi in un sistema di elettroni preesistente e testando lo stato  di  simmetria  risultante. I setup sperimentali utilizzati sono caratterizzati da: a) target di rame elettrolitico e rivelatori Silicon Drift Detectors (SDD) b) target di piombo Romano di estrema radio-purezza e rivelatori High Purity Germanium Detectors (HPGe). Entrambe le misure sono effettuate presso i Laboratori Nazionali del Gran Sasso (LNGS, INFN) dove il flusso di raggi cosmici è ridotto di circa sei ordini di grandezza, ambiente ideale per misure di processi dal rate estremamente basso.

Gli esperimenti hanno già stabilito i migliori limiti superiori sulla probabilità di violazione di PEP per i modelli suddetti (ci riferiamo ad esempio a Ref. [1,2]). Nuove prese dati e le relative analisi sono in   corso.

Abbiamo sviluppato un modello del random walk degli elettroni nel target di rame. Il modello statistico migliora la descrizione fisica del processo di cattura e  porta  ad  un  limite  più  stringente  sulla  probabilità  di  violazione  (Ref  [3]).

Abbiamo calcolato il rate aspettato di radiazione X anomala, nel caso in cui la corrente iniettata è modulata nel tempo, sviluppando un modello Monte Carlo semi-analitico (Ref. [4]). Una presa dati di circa due mesi, in regime di corrente modulata,  è stata  effettuata  nel  periodo  Ottobre-Dicembre  2020,  l’analisi  dei dati di questo sample è in corso.

Stiamo attualmente lavorando ad un upgrade del stup a), basato su rivelatori SDD innovativi dello spessore di 1 mm, che stiamo sviluppando in collaborazione con FBK Trento. L’incremento dell’efficienza di rivelazione per fotoni nel range di  energia  (20-30)  keV  ci  permetterà  di  ampliare  lo  scan  sulla  probabilità  di violazione di PEP, come funzione del numero atomico Z, utilizzando target ultrapuri di argento e   palladio.

Fig. La figura mostra: pannello a) in alto – schema dell’esperimento VIP-2 rame, nella camera da vuoto sono riconoscibili il target, i rivelatori Silicon Drift Detectors, il sistema di raffreddamento ed il sistema di veto. Pannello a) in basso – fit dello spettro misurato di radiazione X e corrispondenti residui, nella regione di interesse per la ricerca di eventuali transizioni K alpha PEP violanti in rame (la posizione predetta per la riga violante è indicata dalla freccia rossa). Pannello b) in alto – spettro di radiazione misurato con rivelatore High Purity Germanium; le righe del 60Co sono evidenziate nell’inset in verde, la regione di interesse (ROI) per l’emissione di radiazione spontanea, da collasso indotto gravitazionalmente, è indicata in grigio. Pannello b) in basso – rappresentazione delle componenti interne dell’apparato sperimentale: 1 - Ge crystal, 2 - Electric contact, 3 - Plastic insulator, 4 - Copper cup, 5 - Copper end-cup, 6 - Copper block and plate, 7 - Inner Copper shield, 8 - Lead shield.

Una vasta classe di modelli effettivi di Gravi Quantistica prevede che la violazione di PEP emerga alla scala di non-commutativi degli operatori spazio- temporali.  In tali modelli la violazione di PEP `e soppressa come    E  n, dove n dipende dal modello specifico, E è l’energia della transizione PEP violante, Λ `e la scala di emergenza della non-commutatività spazio-temporale.  Test di alta precisione e basso background di violazione di PEP, tramite spettroscopia atomica, possono rappresentare la verifica più stringente delle teorie di Gravita` Quantistica; Λ può essere testata con una sensitivi che è ordini di grandezza maggiore della scala di energia raggiungibile al Large Hadron Collider. Poichè in queste teorie la deformazione della relazione spin-statistica `e dovuta ad una nuova  struttura dell’algebra dello spazio-tempo, la regola di superselezione  MG è violata, ed esse possono essere quindi testate in sistemi chiusi.

Abbiamo effettuato una analisi dati innovativa, che include per la prima volta la dipendenza della probabili di violazione dall’energia.  Dall’analisi di due set di dati collezionati con target di piombo Romano e HPGe detectors abbiamo ottenuto i limiti attualmente più forti su Λ, per un esteso set di modelli, il che permette di escluderne la validità (articolo under submission).

Stiamo realizzando un nuovo apparato sperimentale, basato su rivelatori  Broad Energy Germanium (BEGe). Il caratteristico campo di collezione di cariche di questo rivelatore permette (rispetto all’HPGe) un significativo ab- battimento del background elettronico, e la discriminazione delle transizioni elettroniche che avvengono nel cristallo stesso, sulla base di una analisi pulse

shape. Il guadagno aspettato, in termini di rapporto segnale/rumore ed efficienza, ci permette di testare la scala di non-commutatività Λ, oltre la scala di Planck, per l’intera classe di modelli di Gravita` Quantistica.

Un test setup (BEGe, Front-End, DAQ system) è stato già realizzato ed una campagna di presa dati è stata effettuata in Settembre 2020 presso i LNGS. L’analisi preliminare dei dati, lo sviluppo di un software di acquisizione dedicato e lo studio della configurazione finale dell’apparto sono attualmente in corso.

Fig. La figura mostra: pannello a) in alto – schema dell’esperimento VIP-2 rame, nella camera da vuoto sono riconoscibili il target, i rivelatori Silicon Drift Detectors, il sistema di raffreddamento ed il sistema di veto. Pannello a) in basso – fit dello spettro misurato di radiazione X e corrispondenti residui, nella regione di interesse per la ricerca di eventuali transizioni K alpha PEP violanti in rame (la posizione predetta per la riga violante è indicata dalla freccia rossa). Pannello b) in alto – spettro di radiazione misurato con rivelatore High Purity Germanium; le righe del 60Co sono evidenziate nell’inset in verde, la regione di interesse (ROI) per l’emissione di radiazione spontanea, da collasso indotto gravitazionalmente, è indicata in grigio. Pannello b) in basso – rappresentazione delle componenti interne dell’apparato sperimentale: 1 - Ge crystal, 2 - Electric contact, 3 - Plastic insulator, 4 - Copper cup, 5 - Copper end-cup, 6 - Copper block and plate, 7 - Inner Copper shield, 8 - Lead shield.

Una vasta classe di modelli effettivi di Gravi Quantistica prevede che la violazione di PEP emerga alla scala di non-commutativi degli operatori spazio- temporali.  In tali modelli la violazione di PEP `e soppressa come    E  n, dove n dipende dal modello specifico, E è l’energia della transizione PEP violante, Λ `e la scala di emergenza della non-commutatività spazio-temporale.  Test di alta precisione e basso background di violazione di PEP, tramite spettroscopia atomica, possono rappresentare la verifica più stringente delle teorie di Gravita` Quantistica; Λ può essere testata con una sensitivi che è ordini di grandezza maggiore della scala di energia raggiungibile al Large Hadron Collider. Poichè in queste teorie la deformazione della relazione spin-statistica è dovuta ad una nuova  struttura dell’algebra dello spazio-tempo, la regola di superselezione  MG è violata, ed esse possono essere quindi testate in sistemi chiusi.

Abbiamo effettuato una analisi dati innovativa, che include per la prima volta la dipendenza della probabili di violazione dall’energia.  Dall’analisi di due set di dati collezionati con target di piombo Romano e HPGe detectors abbiamo ottenuto i limiti attualmente più forti su Λ, per un esteso set di modelli, il che permette di escluderne la validità (articolo under submission).

Stiamo realizzando un nuovo apparato sperimentale, basato su rivelatori  Broad Energy Germanium (BEGe). Il caratteristico campo di collezione di cariche di questo rivelatore permette (rispetto all’HPGe) un significativo ab- battimento del background elettronico, e la discriminazione delle transizioni elettroniche che avvengono nel cristallo stesso, sulla base di una analisi pulse

shape. Il guadagno aspettato, in termini di rapporto segnale/rumore ed efficienza, ci permette di testare la scala di non-commutatività Λ, oltre la scala di Planck, per l’intera classe di modelli di Gravi Quantistica.

Un test setup (BEGe, Front-End, DAQ system) è stato già realizzato ed una campagna di presa dati è stata effettuata in Settembre 2020 presso i LNGS. L’analisi preliminare dei dati, lo sviluppo di un software di acquisizione dedicato e lo studio della configurazione finale dell’apparto sono attualmente in corso.

Fig. La figura mostra: pannello a) in alto – schema dell’esperimento VIP-2 rame, nella camera da vuoto sono riconoscibili il target, i rivelatori Silicon Drift Detectors, il sistema di raffreddamento ed il sistema di veto. Pannello a) in basso – fit dello spettro misurato di radiazione X e corrispondenti residui, nella regione di interesse per la ricerca di eventuali transizioni K alpha PEP violanti in rame (la posizione predetta per la riga violante è indicata dalla freccia rossa). Pannello b) in alto – spettro di radiazione misurato con rivelatore High Purity Germanium; le righe del 60Co sono evidenziate nell’inset in verde, la regione di interesse (ROI) per l’emissione di radiazione spontanea, da collasso indotto gravitazionalmente, è indicata in grigio. Pannello b) in basso – rappresentazione delle componenti interne dell’apparato sperimentale: 1 - Ge crystal, 2 - Electric contact, 3 - Plastic insulator, 4 - Copper cup, 5 - Copper end-cup, 6 - Copper block and plate, 7 - Inner Copper shield, 8 - Lead shield.
  1. Piscicchia et al., Entropy 2020, 22(11), 1195 https://doi.org/10.3390/e22111195
  2. Piscicchia et al., Eur. Phys. J. C (2020) 80: 508 https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-020-8040-5
  3. Milotti et al., Entropy 2018, 20(7), 515 https://doi.org/10.3390/e20070515
  4. Milotti et al., Symmetry 2021, 13(1), 6 https://doi.org/10.3390/sym13010006
  5. Donadi, ,  Piscicchia,  K.,  Curceanu,  C. et al.   Underground test of gravity-related wave function collapse. Nat. Phys. (2020). https://doi.org/10.1038/s41567-020-1008-4
  6. Piscicchia et al., Condens. Matter 2019, 4(2), 45 https://doi.org/10.3390/condmat4020045
  7. H. Shi et al., Eur. Phys. J. C (2018) 78: 319 https://doi.org/10.1140/epjc/s10052-018-5802-4
  8. Curceanu et al., Entropy 2017, 19(7), 300 https://doi.org/10.3390/e19070300
  9. Piscicchia et. al., Entropy 2017, 19(7), 319 https://doi.org/10.3390/e19070319

Il progetto MITIQO (Monitoraggio In situ di Tossicità, Indicazione geografica e Qualità di Olio d’oliva, vino e altri liquidi edibili) è risultato vincitore ed è stato finanziato dalla Regione Lazio in risposta all’avviso pubblico “Gruppi di Ricerca 2020” (http://www.lazioinnova.it/bandi-post/progetti-gruppi-ricerca-2020/). L’importo complessivo del finanziamento è 142.854,82 €, a valere sui fondi POR FESR 2014-2020. I partners del progetto sono il Centro Ricerche Enrico Fermi (Coordinatore Scientifico K. Piscicchia) ed i Laboratori Nazionali di Frascati dell’INFN.

MITIQO ha lo scopo di creare uno strumento unico, per diagnosi di qualità, sicurezza e autenticità di prodotti edibili. Ad oggi il monitoraggio della concentrazione di metalli pesanti, che ha un impatto immediato sulla salute del consumatore, è possibile soltanto tramite esami diversificati, eseguiti in centri specializzati. MITIQO realizzerà uno strumento singolo, in grado di fornire queste informazioni in situ e rapidamente.

Le tecniche oggi utilizzate per la misura della concentrazione dei metalli sono la spettrometria ad emissione atomica/ottica e la spettrometria di massa indotte da plasma (ICP-OES, ICP-AES, ICP-MS); queste rendono necessarie una previa preparazione dei campioni ed il ricorso a laboratori specializzati esterni. Inoltre l’utilizzo di sorgenti al plasma  rende proibitiva ogni futura maggiore fruibilità di tali tecnologie. E’ recentemente emersa l’importanza di determinare, oltre alla concentrazione, la forma chimica e lo stato di ossidazione dei metalli, principali responsabili ad esempio della fermentazione e del così detto “browning” dei vini. Queste informazioni non sono accessibili tramite tecniche spettrometriche a causa della ridotta risoluzione energetica. MITIQO renderà finalmente accessibili tali analisi, grazie all’integrazione di due tecnologie di avanguardia: un rivelatore a stato solido di ioduro di cesio di alta efficienza e con un ampio range energetico, per la misura delle concentrazioni assolute e relative, su un range molto esteso di elementi chimici; uno spettrometro di Bragg innovativo con cristalli mosaici di grafite e rivelatore di posizione a strip, caratterizzato da una elevatissima risoluzione energetica, per lo studio degli stati di ossidazione dei metalli rilevati.

Oltre alla tossicità, la forma molecolare dei metalli e il loro stato di ossidazione influenzano la qualità e lo stato di deterioramento del prodotto, inoltre essi permettono di esaminarne l’autenticità e la provenienza geografica, con un impatto diretto sulla valutazione economica del genere alimentare. MITIQO si rivolge dunque a tutte le componenti della catena del valore alimentare, permettendo al produttore di effettuare controlli sulle materie prime, al trasformatore di condurre un monitoraggio costante durante la catena di produzione, al distributore di valutare l’autenticità, ed infine al consumatore di fruire di un prodotto sicuro e di alta qualità.

MITIQO realizzerà il futuro della diagnosi della tossicità e provenienza dei geni alimentari, rendendo possibili misure veloci, ad ampio range dinamico, di grande precisione il tutto ad un costo contenuto.

Kristian Piscicchia