In fisica, il confinamento delle particelle è un fenomeno così importante che il Clay Mathematics Institute ha persino promesso un premio di un milione di dollari a chiunque possa dare una spiegazione scientifica convincente ed esaustiva da un punto di vista matematico. Per esempio, i quark sono confinati a coppie oa tre dall'interazione forte, la forza che tiene insieme i nuclei degli atomi, formando neutroni e protoni. Un recente studio della SISSA aggiunge un nuovo capitolo a ciò che sappiamo sul confinamento. Utilizzando un metodo relativamente semplice, è stato mostrato come determinare se, in un sistema con caratteristiche ferromagnetiche, le "particelle" emergenti sono soggette a confinamento. Lo studio è stato pubblicato su Fisica della natura .

L'interazione forte è una delle quattro forze fondamentali della fisica, il più intenso dei quali è quello che tiene insieme il nucleo di un atomo. "Possiamo dire che questa forza è la ragione per cui esistiamo, poiché senza di essa non esisterebbe nessuno degli elementi che ci compongono, " scherza Pasquale Calabrese, Fisico teorico presso la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (SISSA) di Trieste, che ha coordinato il nuovo studio. Questa forte interazione fa sì che i quark rimangano "confinati" in modo che sia impossibile osservarli isolati in condizioni normali in natura. "È come se queste particelle fondamentali fossero unite da molle:più le separi, più cercano di avvicinarsi l'uno all'altro, "dice Calabrese. "Infatti, questo fenomeno non esiste solo per le particelle elementari, come nell'esempio dei quark, ma anche in modelli di fisica statistica e materia condensata, che sono stati oggetto dello studio che abbiamo condotto in collaborazione con l'Università di Budapest."

Nella loro ricerca, Calabresi e colleghi, tra cui il ricercatore della SISSA Mario Collura, ha formulato una previsione per il comportamento di un sistema ferromagnetico allontanato dal suo equilibrio termodinamico. "Finora questi sistemi erano stati studiati in uno stato di equilibrio, ma non sapevamo cosa sarebbe successo se ci fossimo allontanati da esso", dice lo scienziato.

Il sistema studiato da Calabrese è una "catena di spin" in uno stato ferromagnetico. Lo "spin" è come un magnete microscopico e può essere rappresentato da una freccia. Quando gli spin in un materiale sono allineati (cioè, le frecce puntano tutte nella stessa direzione) il materiale è in uno stato ferromagnetico, o, un magnete macroscopico.

Macchie che si diffondono, coni e fiaschi

"Per semplicità, possiamo immaginare il sistema in equilibrio come un gran numero di frecce che puntano tutte nella stessa direzione. Quando questo è turbato, applicando un campo magnetico, Per esempio, alcune frecce gireranno. In questo caso si dice che si creano 'particelle', "dice Calabrese. "In un sistema normale senza confinamento, queste aree con frecce invertite tendono ad espandersi spazialmente in modo indefinito, un po' come una macchia di vino rosso su un tovagliolo di carta. Il grafico che mostra questa espansione spaziale nel tempo è un cono, tecnicamente chiamato 'cono di luce'".

Se le particelle nel sistema sono confinate, però, allora le cose sono diverse. "In realtà, quelle che chiamiamo particelle in questo caso sono le pareti che delimitano le aree con frecce invertite, i bordi delle "macchie". Più si allontanano, più sono attratti l'uno dall'altro. Ciò significa che la macchia non si espanderà come farebbe nel sistema normale, ma piuttosto, dopo un certo tempo, iniziare a contrarsi." Il grafico in questo caso non è più un cono. "Sembra più una fiaschetta, che prima si allarga e poi si restringe di nuovo."

"Se nel sistema, sia virtuale che reale, il grafico che rappresenta le 'correlazioni' (le frecce nella stessa direzione) assume una forma a fiaschetta anziché a cono, allora sappiamo che le particelle sono confinate. In questo modo è facile verificare la presenza di confinamento, "dice Calabrese.

Lo studio di Calabrese e colleghi è del tutto teorico, facendone quasi un'eccezione per una rivista che normalmente pubblica ricerche sperimentali o teoriche/sperimentali." Questo ci porta a pensare che il modello da noi proposto fosse ritenuto promettente per la ricerca in questo campo, compresi gli studi sperimentali. In molti casi è difficile rilevare il confinamento. In questo modo, per questi materiali, è molto più semplice. Stiamo lavorando duramente per garantire che questo fenomeno possa essere osservato sperimentalmente nel prossimo futuro".