Lo studio della materia densa e calda ci aiuta a capire cosa sta succedendo all'interno dei pianeti giganti, nane brune, e stelle di neutroni. Però, questo stato della materia, che esibisce proprietà sia dei solidi che dei plasmi, non si trova naturalmente sulla Terra. Può essere prodotto artificialmente in laboratorio utilizzando grandi esperimenti a raggi X, anche se su piccola scala e per brevi periodi di tempo. I modelli teorici e numerici sono essenziali per valutare questi esperimenti, impossibili da interpretare senza formule, algoritmi, e simulazioni. Gli scienziati del Centro per la comprensione dei sistemi avanzati (CASUS) presso l'Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) hanno ora sviluppato un metodo per valutare tali esperimenti in modo più efficace e veloce di prima.

Descrivere lo stato esotico della materia calda e densa rappresenta una sfida straordinaria per i ricercatori. Per uno, i modelli comuni della fisica del plasma non sono in grado di gestire le alte densità prevalenti in questo stato. E per un altro, anche i modelli per la materia condensata non sono più efficaci sotto le immense energie che comporta. Una squadra intorno al dottor Tobias Dornheim, Dott. Attila Cangi, Kushal Ramakrishna, e Maximilian Böhme di CASUS a Görlitz stanno lavorando alla modellazione di sistemi così complessi. I primi risultati sono stati recentemente pubblicati sulla rivista Lettere di revisione fisica . Il team ha unito le forze con il dott. Jan Vorberger dell'Istituto di fisica delle radiazioni dell'HZDR e il prof. Shigenori Tanaka dell'Università di Kobe in Giappone per sviluppare un nuovo metodo per calcolare le proprietà della materia calda e densa in modo più efficiente e veloce.

"Con il nostro algoritmo, possiamo eseguire calcoli molto accurati della correzione del campo locale, che descrive l'interazione degli elettroni nella materia densa calda e quindi ci permette di sbloccarne le proprietà. Possiamo usare questo calcolo per modellare e interpretare i risultati in futuri esperimenti di diffusione dei raggi X, ma anche come base per altri metodi di simulazione. Il nostro metodo aiuta a determinare le proprietà della materia densa calda, come temperatura e densità, ma anche la sua conducibilità per corrente elettrica o calore e tante altre caratteristiche, "Spiega Dornheim.

Computer mainframe e reti neurali

"La motivazione alla base del nostro metodo è che noi e molti altri ricercatori vorremmo sapere esattamente come si comportano gli elettroni sotto l'influenza di piccole perturbazioni, come l'effetto di un raggio di raggi X. Possiamo ricavare una formula per questo, ma è troppo complesso per essere risolto con carta e matita. Ecco perché in precedenza abbiamo fatto ricorso a una certa semplificazione, quale, però, non è riuscito a mostrare alcuni importanti effetti fisici. Ora abbiamo introdotto una correzione che rimuove proprio questo difetto, "Continua Dornheim.

Per implementarlo, hanno condotto simulazioni computazionalmente intense su milioni di ore di elaborazione su computer mainframe. Sulla base di questi dati e con l'ausilio di metodi statistici analitici, gli scienziati hanno addestrato una rete neurale per prevedere numericamente l'interazione degli elettroni. I guadagni di efficienza forniti dal nuovo strumento dipendono dalla particolare applicazione. "Generalmente, anche se, possiamo dire che i metodi precedenti richiedevano migliaia di ore di elaborazione per raggiungere un alto grado di precisione, mentre il nostro metodo richiede pochi secondi, "dice Attila Cangi, che si è unito a CASUS dai Sandia National Laboratories negli Stati Uniti. "Così ora possiamo eseguire la simulazione su un laptop mentre prima avevamo bisogno di un supercomputer".

Outlook:un nuovo codice standard per la valutazione degli esperimenti

Per ora, il nuovo codice può essere utilizzato solo per gli elettroni nei metalli, per esempio in esperimenti sull'alluminio. Però, i ricercatori stanno già lavorando a un codice che può essere applicato più in generale e che dovrebbe fornire risultati per un'ampia varietà di materiali in condizioni molto diverse in futuro. "Vogliamo incorporare le nostre scoperte in un nuovo codice, che sarà open source, a differenza del codice attuale, che è concesso in licenza e quindi difficile da adattare a nuove intuizioni teoriche, " spiega Maximilian Böhme, uno studente di dottorato con CASUS che sta collaborando a questo con il fisico britannico del plasma Dave Chapman.

Tali esperimenti a raggi X per studiare la materia calda e densa sono possibili solo in una manciata di grandi laboratori, compreso l'XFEL europeo vicino ad Amburgo, Germania, ma anche la Linear Coherent Light Source (LCLS) presso lo Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) presso la Stanford University, il National Ignition Facility (NIF) presso il Lawrence Livermore National Laboratory, la Z Machine ai Laboratori Nazionali Sandia, e il LAser a elettroni liberi SPring-8 Angstrom Compact (SACLA) in Giappone. "Siamo in contatto con questi laboratori e ci aspettiamo di poter essere coinvolti attivamente nella modellazione degli esperimenti, " Rivela Tobias Dornheim. I primi esperimenti alla Helmholtz International Beamline for Extreme Fields (HIBEF) all'European XFEL sono già in preparazione.