En física, El confinamiento de partículas es un fenómeno tan importante que el Clay Mathematics Institute incluso ha prometido un premio de un millón de dólares a todo aquel que pueda dar una explicación científica convincente y exhaustiva desde un punto de vista matemático. Por ejemplo, los quarks están confinados en pares o tres por la fuerte interacción, la fuerza que mantiene unidos los núcleos de los átomos, formando neutrones y protones. Un estudio reciente en SISSA agrega un nuevo capítulo a lo que sabemos sobre el confinamiento. Usando un método relativamente simple, Se ha demostrado cómo determinar si, en un sistema con características ferromagnéticas, las "partículas" emergentes están sujetas a confinamiento. El estudio fue publicado en Física de la naturaleza .

La interacción fuerte es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física, el más intenso de los cuales es el que mantiene unido el núcleo de un átomo. "Podemos decir que esta fuerza es la razón por la que existimos, ya que sin ella ninguno de los elementos que nos componen existiría, "bromea Pasquale Calabrese, Físico teórico en la Escuela Internacional de Estudios Avanzados (SISSA) en Trieste, quien coordinó el nuevo estudio. Esta fuerte interacción hace que los quarks permanezcan "confinados" de manera que es imposible observarlos aislados en condiciones normales en la naturaleza. "Es como si estas partículas fundamentales estuvieran unidas por resortes:cuanto más las separas, cuanto más intentan acercarse el uno al otro, "dice Calabrese." De hecho, este fenómeno no solo existe para partículas elementales, como en el ejemplo de los quarks, sino también en modelos de física estadística y materia condensada, que fueron el tema del estudio que realizamos en colaboración con la Universidad de Budapest ".

En su investigación, Calabrese y colegas, incluyendo al investigador de SISSA Mario Collura, formuló una predicción para el comportamiento de un sistema ferromagnético alejado de su equilibrio termodinámico. "Hasta ahora estos sistemas habían sido investigados en un estado de equilibrio, pero no sabíamos qué pasaría si nos alejamos de él ", dice el científico.

El sistema estudiado por Calabrese es una "cadena de espín" en estado ferromagnético. El "giro" es como un imán microscópico y se puede representar con una flecha. Cuando los giros en un material están alineados (es decir, todas las flechas apuntan en la misma dirección) el material está en un estado ferromagnético, o, un imán macroscópico.

Manchas que se esparcen conos y matraces

"Por simplicidad, podemos imaginar el sistema en equilibrio como un gran número de flechas apuntando todas en la misma dirección. Cuando esto se perturba, aplicando un campo magnético, por ejemplo, algunas flechas girarán. En este caso decimos que se crean 'partículas', "dice Calabrese." En un sistema normal sin confinamiento, estas áreas con flechas invertidas tienden a expandirse espacialmente de manera indefinida, un poco como una mancha de vino tinto en una toalla de papel. El gráfico que muestra esta expansión espacial en el tiempo es un cono, técnicamente llamado 'cono de luz' ".

Si las partículas en el sistema están confinadas, sin embargo, entonces las cosas son diferentes. "Realmente, lo que llamamos partículas en este caso son las paredes que delimitan las áreas con flechas invertidas, los bordes de las 'manchas'. Cuanto más se alejan cuanto más se sienten atraídos el uno por el otro. Esto significa que la mancha no se expandirá como lo haría en el sistema normal, sino más bien, después de cierto tiempo, empezar a contraerse ". El gráfico en este caso ya no es un cono." Parece más un matraz, que se ensancha al principio y luego se vuelve a estrechar ".

"Si en el sistema, ya sea virtual o real, el gráfico que representa las 'correlaciones' (las flechas en la misma dirección) adopta una forma de matraz en lugar de un cono, entonces sabemos que las partículas están confinadas. Esto facilita la verificación de la presencia de confinamiento, "dice Calabrese.

El estudio de Calabrese y sus colegas es completamente teórico, por lo que es casi una excepción para una revista que normalmente publica investigación experimental o teórico / experimental ". Esto nos lleva a pensar que el modelo que propusimos se consideró prometedor para la investigación en este campo, incluidos los estudios experimentales. En muchos casos es difícil detectar el confinamiento. De este modo, para estos materiales, es mucho más sencillo. Estamos trabajando arduamente para garantizar que este fenómeno se pueda observar experimentalmente en un futuro próximo ".