Simular en un laboratorio lo que sucede en los aceleradores de partículas ha sido un objetivo ambicioso en el estudio de las fuerzas fundamentales de la naturaleza perseguido por los físicos de alta energía durante muchos años. Ahora, gracias a la investigación realizada por los grupos de física estadística del SISSA — Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati y el Centro Internacional "Abdus Salam" de Física Teórica (ICTP), ese objetivo está más cerca de alcanzarlo.

"Hemos tratado con una teoría del calibre, más precisamente el modelo de Schwinger, que describe matemáticamente la interacción entre partículas microscópicas cargadas, como electrones y positrones, y un campo eléctrico en una dimensión espacial, "dijo Federica Surace, Doctor. estudiante de SISSA y autor principal de la investigación, publicado recientemente en Revisión física X . "Hemos demostrado que esta teoría se puede simular en un experimento con átomos ultrafríos mejor que lo que han hecho las calculadoras hasta la fecha. Este experimento se llevó a cabo en el laboratorio del profesor Lukin en la Universidad de Harvard".

Investigando las fuerzas fundamentales de la naturaleza

El estudio, al cual Ph.D. estudiantes Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, y sus supervisores Andrea Gambassi de SISSA y Marcello Dalmonte de ICTP también contribuyeron, muestra que el experimento realizado en el extranjero puede interpretarse como un "simulador cuántico" de una teoría de gauge, una conexión importante porque confirma el potencial de este último para investigar los misterios asociados con las fuerzas fundamentales de la naturaleza.

"Las teorías que describen las interacciones fundamentales, conocidas como teorías de calibre, están detrás de nuestra comprensión actual de la física del universo, y comprender su dinámica es una de las preguntas sin respuesta más importantes de la física teórica, "añade Alessio Lerose, coautor de la publicación. "Para inferir de esto el comportamiento de la materia en condiciones extremas, como en las colisiones de alta energía entre núcleos atómicos pesados, dentro de las estrellas y el universo primordial después del Big-Bang, es un desafío muy complejo que ha probado rigurosamente los métodos teóricos y computacionales disponibles para los físicos ".

Las teorías del calibre permiten, por ejemplo, para comprender lo que sucede en experimentos como los llevados a cabo en el CERN en Ginebra. "Estos fenómenos son muy complejos", añade Federica Surace. "Debido a su naturaleza cuántica, es muy difícil hacer predicciones fiables, incluso con las computadoras más modernas y potentes ".

Simuladores cuánticos

Uno de los métodos ideados para llevar a cabo este tipo de investigación es precisamente el de los simuladores cuánticos, compuesto por componentes, típicamente átomos enfriados a temperaturas cercanas al cero absoluto que son controladas por láser y campos magnéticos, cuyo comportamiento se rige por ecuaciones matemáticas similares a las de los sistemas que los científicos quieren estudiar, pero que son mucho más fáciles de crear.

"Estas herramientas, "continúa Surace, "Permiten investigar las teorías del gauge utilizando equipos experimentales del tamaño de una habitación en lugar de un acelerador de decenas de kilómetros de largo. La investigación en este campo apenas comienza y este objetivo aún está muy lejos y, sin embargo, los primeros resultados son alentadores. ".

Así lo demuestra el trabajo de los físicos del SISSA y del ICTP, y ya ha proporcionado una prueba importante del potencial de los simuladores cuánticos ya disponibles en el laboratorio para estudiar las teorías detrás de nuestra comprensión del Universo.

“Hemos demostrado que el modelo implementado por el simulador cuántico creado en Harvard no es otro que una de las teorías de calibre más simples pero que, En todo caso, prevé fenómenos altamente no triviales, como la descomposición del vacío y el confinamiento de partículas elementales, "explica Alessio Lerose, subrayando la importancia de este resultado para crear un simulador que se pueda utilizar para todos los sistemas cuánticos. "En el presente, no hay un "simulador universal", es decir, un dispositivo cuántico que se puede programar para simular cualquier otro sistema cuántico, pero crear uno es uno de los objetivos clave de la investigación en esta área de la física. Actualmente existen simuladores cuánticos que poseen un excelente nivel de control que permite la simulación de sistemas menos complejos. En realidad, ahora sabemos que con un esfuerzo adicional también es posible simular teorías cuánticas más complejas, como el modelo de Schwinger que ha sido el protagonista de nuestro estudio ”.