PROVATO IL COMPORTAMENTO QUANTISTICO

Fermioni dai molti colori

Realizzati per la prima volta in laboratorio nuovi stati della materia, previsti dalla meccanica quantistica. È il risultato raggiunto da un gruppo di ricerca del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia non Lineare (LENS) e del Dipartimento di Fisica e Astronomia, pubblicato online sulla rivista scientifica Nature Physics.

lens-atomi-di-itterbRealizzati per la prima volta in laboratorio nuovi stati della materia, previsti dalla meccanica quantistica. È il risultato raggiunto da un gruppo di ricerca del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia non Lineare (LENS) e del Dipartimento di Fisica e Astronomia, pubblicato online sulla rivista scientifica Nature Physics.

Il team fiorentino, guidato da Leonardo Fallani, ricercatore del Dipartimento di Fisica e Astronomia e da Massimo Inguscio, ordinario di Fisica della materia dell’Università di Firenze e presidente dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica di Torino, ha creato in laboratorio le condizioni perché le particelle di cui è composta la materia possano esibire comportamenti nuovi rispetto a quelli osservati in natura, utilizzando tecnologie laser all’avanguardia realizzate nei laboratori dell’ateneo. Al risultato hanno contribuito anche i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR Jacopo Catani e Carlo Sias e della Swinburne University (Melbourne, Australia) Hui Hu e Xia-Ji Liu.

“La meccanica quantistica – spiega Fallani – prevede che, a livello microscopico, le particelle si dividano in due famiglie nettamente separate: bosoni e fermioni. La quasi totalità delle particelle che costituiscono la materia, come elettroni, protoni e neutroni, sono di tipo fermionico e la maggior parte di queste ha spin ½, ovvero si può trovare in due stati interni distinti. Nella fisica delle particelle – prosegue il ricercatore – si trovano anche fermioni che hanno più di due varietà, ad esempio i quark, che possono presentarsi in tre stati interni, detti colori, diversi. Le proprietà della materia che ci circonda dipendono in ultima analisi da come queste particelle elementari interagiscono tra loro e da come si combinano i loro spin e i loro colori: dallo spin ½ degli elettroni deriva il magnetismo di certi materiali, mentre i tre colori dei quark sono responsabili per l’esistenza dei protoni e dei neutroni di cui sono costituiti gli atomi”.

I ricercatori hanno realizzato in laboratorio un sistema di fermioni nel quale il numero di “colori”, invece di essere fissato dalla natura, può essere controllato, da uno fino a sei. Per farlo hanno utilizzato un gas di atomi di itterbio – elemento che viene utilizzato per realizzare gli orologi atomici più precisi al mondo – raffreddato fino a temperature di pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, grazie all’utilizzo di sistemi laser sofisticati messi a punto nei laboratori fiorentini. “A quelle temperature gli atomi di un gas si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica – racconta il ricercatore – e ci hanno permesso di ricreare in laboratorio il comportamento delle particelle elementari, controllandole come se fossero mattoncini di diverso colore che possiamo mettere insieme a piacere e delle quali possiamo osservare direttamente le proprietà”.

“Per la prima volta abbiamo realizzato una catena di fermioni fortemente interagenti e abbiamo studiato il loro comportamento al variare del numero di colori in cui questi si possono presentare. In particolare – prosegue Fallani – abbiamo rivelato un effetto molto speciale: quando il numero dei loro colori diventa elevato, questi atomi in qualche modo smettono di comportarsi come fermioni e assumono invece alcune proprietà che sono peculiari dei bosoni. In altre parole, il numero elevato di colori e le forti interazioni tra le particelle, fanno sì che fermioni e bosoni non siano più due famiglie totalmente distinte l’una dall’altra, ma possano in un certo senso trasformarsi l’una nell’altra. Questo effetto di meccanica quantistica fondamentale – precisa il ricercatore – è stato ipotizzato soltanto pochi anni fa dal Premio Nobel per la Fisica Yang, ma non era mai stato dimostrato precedentemente”.

“Le prospettive di questa ricerca sono molteplici – commenta Fallani – Le tecniche che abbiamo sviluppato potranno consentire di ricreare in laboratorio comportamenti analoghi a quelli che si hanno nel mondo subnucleare, senza però utilizzare acceleratori o ricorrere a simulazioni su supercomputer, e a studiare nuovi stati della materia. In altre parole – conclude il ricercatore – possiamo utilizzare i nostri atomi-mattoncini come simulatori quantistici per osservare effetti estremamente difficili da calcolare e contribuire a risolvere problemi aperti della Fisica”.

Fonte (Unifi)