Simulare in laboratorio ciò che accade negli acceleratori di particelle è stato un obiettivo ambizioso nello studio delle forze fondamentali della natura perseguito da molti anni dai fisici delle alte energie. Ora, grazie alle ricerche condotte dai gruppi di fisica statistica della SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati e dal Centro Internazionale di Fisica Teorica "Abdus Salam" (ICTP), quell'obiettivo è più vicino da raggiungere.

"Ci siamo occupati di una teoria di gauge, più precisamente il modello di Schwinger, che descrive matematicamente l'interazione tra particelle cariche microscopiche, come elettroni e positroni, e un campo elettrico in una dimensione spaziale, " ha detto Federica Surace, dottorato di ricerca studente alla SISSA e autore principale della ricerca, recentemente pubblicato su Revisione fisica X . "Abbiamo dimostrato che questa teoria può essere simulata in un esperimento con atomi ultrafreddi meglio di quanto fatto finora dai calcolatori. Questo esperimento è stato condotto nel laboratorio del Prof. Lukin all'Università di Harvard".

Indagare le forze fondamentali della natura

Lo studio, a cui Ph.D. studenti Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, e i loro supervisori Andrea Gambassi della SISSA e Marcello Dalmonte dell'ICTP hanno contribuito, mostra che l'esperimento condotto all'estero può essere interpretato come un "simulatore quantistico" di una teoria di gauge, un collegamento importante perché conferma la potenzialità di quest'ultimo di indagare i misteri legati alle forze fondamentali della natura.

"Le teorie che descrivono le interazioni fondamentali, note come teorie di gauge, sono alla base della nostra attuale comprensione della fisica dell'universo, e capire la loro dinamica è una delle domande senza risposta più importanti della fisica teorica, "aggiunge Alessio Lerose, coautore della pubblicazione. "Per dedurre da ciò il comportamento della materia in condizioni estreme, come nelle collisioni ad alta energia tra nuclei atomici pesanti, dentro le stelle e l'universo primordiale post Big-Bang, è una sfida molto complessa che ha messo a dura prova i metodi teorici e computazionali a disposizione dei fisici."

Le teorie di gauge consentono Per esempio, per capire cosa succede in esperimenti come quelli condotti al CERN di Ginevra. "Questi fenomeni sono molto complessi" aggiunge Federica Surace. "A causa della loro natura quantistica, è molto difficile fare previsioni attendibili, anche con i computer più moderni e potenti."

Simulatori quantistici

Uno dei metodi escogitati per effettuare questo tipo di indagine è proprio quello dei simulatori quantistici, composto da componenti, tipicamente atomi raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto controllate da laser e campi magnetici, il cui comportamento è governato da equazioni matematiche simili a quelle dei sistemi che gli scienziati vogliono studiare, ma che sono molto più facili da creare.

"Questi strumenti, " continua Surace, "consentono di indagare le teorie di gauge utilizzando apparecchiature sperimentali grandi quanto una stanza al posto di un acceleratore lungo decine di chilometri. La ricerca in questo campo è solo all'inizio e questo traguardo è ancora lontano eppure i primi risultati sono incoraggianti ".

Lo dimostra il lavoro dei fisici della SISSA e dell'ICTP, e ha già fornito importanti prove delle potenzialità dei simulatori quantistici già disponibili in laboratorio per studiare le teorie alla base della nostra comprensione dell'Universo.

"Abbiamo dimostrato che il modello implementato dal simulatore quantistico creato ad Harvard non è altro che una delle teorie di gauge più semplici ma che, in ogni caso, prevede fenomeni altamente non banali, come il decadimento sotto vuoto e il confinamento delle particelle elementari, " spiega Alessio Lerose, sottolineando l'importanza di questo risultato per creare un simulatore utilizzabile per tutti i sistemi quantistici. "Attualmente, non esiste un "simulatore universale", vale a dire un dispositivo quantistico che può essere programmato per simulare qualsiasi altro sistema quantistico, ma crearne uno è uno degli obiettivi chiave della ricerca in questo settore della fisica. Esistono ora simulatori quantistici che possiedono un eccellente livello di controllo che consente la simulazione di sistemi meno complessi. In realtà, ora sappiamo che con qualche sforzo in più è anche possibile simulare teorie quantistiche più complesse, come il modello Schwinger che è stato protagonista del nostro studio”.