Ecco il quinto stato della materia: un condensato di Bose-Einstein nello spazio


ERA il 23 gennaio 2017, quasi due anni fa. Un’équipe di scienziati della Dlr (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., l’agenzia spaziale tedesca) lanciò nello spazio, dalla base di Kiruna, in Svezia, la missione Matter-Wave Interferometry in Microgravity (Maius 1), uno degli esperimenti mai più complessi tentati in orbita. Scopo principale della missione era la realizzazione – e lo studio in condizioni di microgravità – di un cosiddetto condensato di Bose-Einstein, il particolare stato della materia che si realizza quando un gas è raffreddato a temperature vicine allo zero assoluto. L’obiettivo è stato centrato con successo: i ricercatori hanno effettivamente prodotto in orbita il condensato, mantenendolo stabile per circa sei minuti, durante i quali hanno condotto oltre cento esperimenti scientifici. I cui risultati principali sono stati appena pubblicati sulla rivista Nature.

• UNO STATO QUANTISTICO MA MACROSCOPICO
I primi tre stati della materia sono universalmente noti: solido, liquido e aeriforme. Facili da ricordare, perché completamente conformi all’esperienza quotidiana. Con il plasma – il cosiddetto quarto stato della materia, un gas composto di elettroni e ioni –, le cose si fanno già più complicate. Ancora più elusivo e lontano dalla realtà di tutti i giorni è il condensato di Bose-Einstein, un ulteriore stato (e nemmeno l’ultimo, per dire la verità: ne conosciamo almeno un’altra dozzina) costituito da particelle ultrafredde e a bassa densità, teorizzato da Satyendra Bose e Albert Einstein negli anni venti, dalle proprietà del tutto controintuitive. La caratteristica principale del condensato di Bose-Einstein sta nel fatto che le particelle che si trovano in tale stato esibiscono comportamenti quantistici apprezzabili anche su scala macroscopica, e non solo microscopicamente. Il primo condensato di Bose-Einstein è stato realizzato sperimentalmente nel 1995 da Eric Cornell e Carl Wieman, che si sono aggiudicati il premio Nobel per la fisica nel 2001.  

•SENZA GRAVITÀ È MEGLIO 
Date le sue proprietà, il condensato di Bose-Einstein è estremamente utile per indagare fenomeni quantistici. Per realizzarlo, di solito si confinano delle particelle in una cosiddetta ‘trappola elettromagnetica’ e le si colpisce ripetutamente con raggi laser ultra-precisi, che ne rallentano i movimenti fino a fermarle quasi del tutto – ovvero, in altre parole, le portano a una temperatura vicina allo zero assoluto (la temperatura, infatti, altro non è che un indicatore del ‘movimento’ delle particelle). Quando le particelle sono immobili, la trappola elettromagnetica viene rimossa e gli sperimentatori possono iniziare a eseguire le misure sul condensato; il problema, però, è che la gravità tende a perturbare la stabilità del condensato stesso, diminuendo quindi significativamente il tempo a disposizione per gli esperimenti. Di qui l’idea di realizzare un condensato di Bose-Einstein nello spazio, in condizioni di caduta libera, che approssimano bene l’assenza di gravità.

•TRA IL DIRE E IL FARE
Se produrre un condensato di Bose-Einstein a terra è parecchio complicato, nello Spazio le cose si fanno ancora più difficili. Per riuscirci, gli scienziati della Dlr hanno anzitutto dovuto miniaturizzare l’intero apparato sperimentale, ‘impacchettandolo’ in un piccolo chip contenente atomi di rubidio-87. Il chip è stato poi lanciato nello spazio, a una quota di circa 243 chilometri, e ha raffreddato il rubidio a una temperatura di -273,15 gradi Celsius. Conquistando così il record di punto più freddo dell’universo e scalzando la nebulosa Boomerang, più calda di un grado. La miscela di rubidio ultrafreddo in caduta libera è passata allo stato di condensato di Bose-Einstein e vi è rimasta per circa sei minuti, prima di tornare sulla Terra.

•110 ESPERIMENTI IN 3600 SECONDI
In totale, gli autori dell’esperimento hanno eseguito circa 110 misure sul composto, cercando di comprendere come la gravità influenza il processo di produzione e mantenimento del condensato e come il condensato stesso si comporta durante la caduta libera. Una particolare misura, a quanto pare, potrà essere molto utile per la rivelazione di nuove onde gravitazionali, che interagendo con un condensato in caduta libera ne altererebbero le proprietà in modo immediatamente rilevabile. Per saperne di più bisognerà aspettare le missioni Maius 2 e Maius 3, pianificate rispettivamente per il 2020 e il 2021.


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Mario Calabresi
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