Identificazione dei costituenti elementari della materia inclusi i quark, bosoni ed elettroni, e il modo in cui queste particelle interagiscono tra loro, costituisce una delle più grandi sfide nelle moderne scienze fisiche. Risolvere questo problema in sospeso non solo approfondirà la nostra comprensione dei primi giorni dell'universo, ma farà luce anche su stati esotici della materia, come i superconduttori.

Oltre ai gas, liquidi e solidi, la materia può esistere in altre forme quando è sottoposta a condizioni estreme. Tali situazioni sono state incontrate nell'universo subito dopo il Big Bang, e possono anche essere imitati in laboratorio. E mentre una pletora di particelle elementari è stata scoperta in collisori ad alta energia, questioni complesse riguardanti le loro interazioni e l'esistenza di nuovi stati della materia rimangono senza risposta.

In collaborazione con il gruppo sperimentale di Immanuel Bloch, Monika Aidelsburger e Christian Schweizer (Monaco), e teorici Eugene Demler e Fabian Grusdt (Harvard), Nathan Goldman e Luca Barbiero (Fisica dei Sistemi Complessi e Meccanica Statistica, Facoltà di Scienze) hanno proposto e convalidato un nuovo approccio sperimentale mediante il quale è possibile studiare questi ricchi fenomeni.

Pubblicato in Fisica della natura , i loro rapporti di lavoro sulla realizzazione sperimentale di una "teoria di gauge del reticolo, "un modello teorico inizialmente proposto da Kenneth Wilson, Premio Nobel per la Fisica nel 1982, descrivere le interazioni tra particelle elementari come quark e gluoni. Gli autori dimostrano che la loro configurazione sperimentale, un gas ultrafreddo di atomi manipolati da laser, riproduce le caratteristiche di tale modello. La sfida consisteva nell'implementare interazioni ben definite tra particelle di materia e bosoni di gauge, che sono i mediatori delle forze fondamentali. Nel contesto dell'atomo freddo, questi tipi di particelle sono rappresentati da diversi stati atomici, che può essere affrontato in modo molto fine utilizzando i laser.

Questo nuovo approccio sperimentale costituisce un passo importante per la simulazione quantistica di teorie più sofisticate, che alla fine potrebbe far luce su questioni aperte nella fisica delle alte energie e dello stato solido utilizzando esperimenti da tavolo.