in de natuurkunde, opsluiting van deeltjes is zo'n belangrijk fenomeen dat het Clay Mathematics Institute zelfs een prijs van een miljoen dollar heeft toegezegd aan iedereen die een overtuigende en uitputtende wetenschappelijke verklaring kan geven vanuit wiskundig oogpunt. Bijvoorbeeld, de quarks zijn in paren of drieën opgesloten door de sterke interactie - de kracht die de kernen van de atomen bij elkaar houdt - die neutronen en protonen vormen. Een recente studie bij SISSA voegt een nieuw hoofdstuk toe aan wat we weten over opsluiting. Met behulp van een relatief eenvoudige methode, is aangetoond hoe te bepalen of, in een systeem met ferromagnetische eigenschappen, de opkomende "deeltjes" zijn onderworpen aan opsluiting. De studie is gepubliceerd in Natuurfysica .

Sterke interactie is een van de vier fundamentele krachten van de natuurkunde, waarvan de meest intense degene is die de kern van een atoom bij elkaar houdt. "We kunnen zeggen dat deze kracht de reden is dat we bestaan, omdat zonder dat geen van de elementen waaruit ons bestaat zou bestaan, " grapt Pasquale Calabrese, Theoretisch fysicus aan de International School for Advanced Studies (SISSA) in Triëst, die de nieuwe studie coördineerde. Deze sterke interactie zorgt ervoor dat quarks "opgesloten" blijven, zodat het onmogelijk is om ze geïsoleerd waar te nemen onder normale omstandigheden in de natuur. "Het is alsof deze fundamentele deeltjes zijn verbonden door veren:hoe meer je ze uit elkaar trekt, hoe meer ze proberen dichter bij elkaar te komen, " zegt Calabrese. "In feite, dit fenomeen bestaat niet alleen voor elementaire deeltjes, zoals in het voorbeeld van quarks, maar ook in modellen van statistische fysica en gecondenseerde materie, die het onderwerp waren van de studie die we hebben uitgevoerd in samenwerking met de Universiteit van Boedapest."

In hun onderzoek hebben Calabrese en collega's, waaronder SISSA-onderzoeker Mario Collura, formuleerde een voorspelling voor het gedrag van een ferromagnetisch systeem dat uit zijn thermodynamisch evenwicht is verdreven. "Tot nu toe waren deze systemen onderzocht in een evenwichtstoestand, maar we wisten niet wat er zou gebeuren als we er afstand van zouden nemen", zegt de wetenschapper.

Het door Calabrese bestudeerde systeem is een "spinketting" in een ferromagnetische toestand. De "spin" is als een microscopisch kleine magneet en kan worden weergegeven door een pijl. Wanneer de spins in een materiaal zijn uitgelijnd (dat wil zeggen, de pijlen wijzen allemaal in dezelfde richting) het materiaal is in een ferromagnetische toestand, of, een macroscopische magneet.

Vlekken die zich verspreiden, kegels en kolven

"Voor de eenvoud, we kunnen ons het systeem in evenwicht voorstellen als een groot aantal pijlen die allemaal in dezelfde richting wijzen. Wanneer dit verstoord wordt, door een magnetisch veld aan te leggen, bijvoorbeeld, sommige pijlen zullen draaien. In dit geval zeggen we dat er 'deeltjes' ontstaan, " zegt Calabrese. "In een normaal systeem zonder opsluiting, deze gebieden met omgekeerde pijlen hebben de neiging om ruimtelijk op een onbepaalde manier uit te breiden, een beetje zoals een rode wijnvlek op een papieren handdoek. De grafiek die deze ruimtelijke expansie in de tijd laat zien, is een kegel, technisch gezien een 'lichtkegel'."

Als de deeltjes in het systeem zijn opgesloten, echter, dan zijn de zaken anders. "Werkelijk, wat we in dit geval deeltjes noemen, zijn de muren die de gebieden afbakenen met omgekeerde pijlen, de randen van de 'vlekken'. Hoe meer ze zich afwenden, hoe meer ze zich tot elkaar aangetrokken voelen. Dit betekent dat de vlek niet uitzet zoals in het normale systeem, maar liever, na een bepaalde tijd, begin samen te trekken." De grafiek is in dit geval niet langer een kegel. "Het lijkt meer op een kolf, die eerst breder wordt en dan weer smaller wordt."

"Als in het systeem, virtueel of echt, de grafiek die 'correlaties' weergeeft (de pijlen in dezelfde richting) neemt de vorm van een kolf aan in plaats van een kegel, dan weten we dat de deeltjes opgesloten zitten. Dit maakt het gemakkelijk om de aanwezigheid van opsluiting te verifiëren, ' zegt Calabres.

De studie van Calabrese en collega's is volledig theoretisch, waardoor het bijna een uitzondering is voor een tijdschrift dat normaal experimenteel of theoretisch/experimenteel onderzoek publiceert." Dit doet ons vermoeden dat het door ons voorgestelde model veelbelovend werd geacht voor onderzoek op dit gebied, inclusief experimentele studies. In veel gevallen is het moeilijk om opsluiting te detecteren. Op deze manier, voor deze materialen het is veel eenvoudiger. We werken er hard aan om ervoor te zorgen dat dit fenomeen in de nabije toekomst experimenteel kan worden waargenomen."