Collegare le scale piccole e grandi

Realizzazione artistica del telescopio Einstein, un rilevatore di onde gravitazionali di nuova generazione. La Einstein Telescope Collaboration ha stipulato un accordo con il CERN per la progettazione del sistema a vuoto del rivelatore. (Image: Nikhef)

Collaborando con progetti per futuri osservatori di onde gravitazionali, il CERN aiuta a trovare echi dal passato

di Kristiane Bernhard-Novotny

Le onde gravitazionali, come la scoperta del bosone di Higgs nel 2012, hanno segnato un decennio di straordinarie scoperte in fisica. A differenza della gravità, che si crea quando oggetti massicci lasciano il segno nel tessuto dello spaziotempo, le onde gravitazionali sono increspature molto deboli nello spaziotempo causate da masse accelerate dalla gravità. Finora, i ricercatori sono stati in grado di rilevare le onde gravitazionali prodotte dalla fusione di oggetti molto pesanti, come buchi neri o stelle di neutroni. Quando ciò accade, questi echi del passato si riverberano attraverso l'intero Universo e infine raggiungono la Terra, permettendoci di ricostruire ciò che è accaduto milioni di anni luce fa.

Gli attuali osservatori di onde gravitazionali possono rilevare solo poche onde gravitazionali poiché coprono solo uno spettro ristretto dell'intera gamma di lunghezze d'onda emesse. I futuri osservatori di onde gravitazionali, come l'Einstein Telescope, un esperimento riconosciuto dal CERN, devono essere più grandi per cercare una larghezza di banda più ampia di onde gravitazionali che potrebbe dirci di più sull'Universo.

Un ingrediente chiave dei futuri osservatori di onde gravitazionali è la tecnologia del vuoto ultraelevato. In qualità di struttura di ricerca e sviluppo leader a livello mondiale per le applicazioni in questo campo, il CERN è uno dei pochi luoghi in cui le persone sanno come costruire sistemi di ultra-alto vuoto molto lunghi. L'esperienza decennale del CERN nell'installazione sotterranea di sistemi di vuoto complessi e ultra puri è un ulteriore vantaggio per il telescopio Einstein poiché sarà installato ad almeno 200 metri sotto la superficie terrestre. Gli istituti principali della Einstein Telescope Collaboration hanno quindi stipulato un accordo di collaborazione con il CERN nel 2022. Sulla base di questo accordo, nel marzo 2023 si è tenuto un workshop dedicato al brainstorming su come potrebbero apparire questi sistemi e quali materiali funzionerebbero meglio. La collaborazione spera di completare un prototipo di tubo a vuoto entro la fine del 2025. I risultati del workshop contribuiranno a ridurre non solo il costo di costruzione del telescopio Einstein, ma anche potenzialmente il costo dei futuri acceleratori.

"La sensibilità prevista del telescopio Einstein sarà almeno un fattore dieci volte quella di Ligo-Virgo", afferma Michele Punturo, che ha iniziato la sua carriera come fisico al CERN ed è ora il portavoce della Collaborazione. «La sua sensibilità a bassa frequenza ci consentirà di rilevare buchi neri di massa intermedia».

Il telescopio Einstein è progettato per misurare le onde gravitazionali con una precisione dieci volte superiore rispetto ai rilevatori di onde gravitazionali esistenti e integrerà i futuri rilevatori di onde gravitazionali spaziali. L'esperimento invierà un raggio laser nel tunnel di forma triangolare lungo 120 km. Questo raggio verrà quindi diviso in due raggi, che vengono riflessi da specchi. La lunghezza del tunnel è stata scelta in modo che i due raggi laser si annullino precisamente a vicenda. Se un'onda gravitazionale attraversa il segnale laser, sarà perturbato, lasciando così un'impronta di sé. La natura di questa impronta fornirà ai ricercatori informazioni sull'evento che ha creato l'onda gravitazionale in primo luogo.

A causa dell'elevata precisione del segnale, il sistema del vuoto in cui opera il laser deve essere non solo ultra puro, ma anche privo di vibrazioni e contaminazione elettromagnetica, poiché entrambi possono imitare il segnale dell'onda gravitazionale in arrivo.

Un'altra potenziale fonte di modifica della frequenza delle onde gravitazionali è la materia oscura, la forma sfuggente di materia che sembra costituire la maggior parte del nostro Universo. I teorici stanno già lavorando su modelli per verificare se un segnale registrato potrebbe essere influenzato dalla materia oscura. Queste ricerche integrerebbero le ricerche sulla materia oscura attualmente in corso negli esperimenti con collider e obiettivi fissi al CERN.

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