In een laboratorium simuleren wat er in deeltjesversnellers gebeurt, is een ambitieus doel geweest in de studie van de fundamentele natuurkrachten die door hoge-energiefysici gedurende vele jaren wordt nagestreefd. Nutsvoorzieningen, dankzij onderzoek uitgevoerd door de groepen statistische fysica van SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati en het "Abdus Salam" International Centre for Theoretical Physics (ICTP), dat doel is dichterbij.

"We hebben te maken gehad met een ijktheorie, meer bepaald het Schwinger-model, die wiskundig de interactie beschrijft tussen microscopisch geladen deeltjes, zoals elektronen en positronen, en een elektrisch veld in een ruimtelijke dimensie, " zei Federica Surace, doctoraat student aan SISSA en hoofdauteur van het onderzoek, onlangs gepubliceerd op Fysieke beoordeling X . "We hebben aangetoond dat deze theorie in een experiment met ultrakoude atomen beter kan worden gesimuleerd dan wat rekenmachines tot nu toe hebben gedaan. Dit experiment werd uitgevoerd in het laboratorium van prof. Lukin aan de Harvard University."

Onderzoek naar de fundamentele krachten van de natuur

De studie, waaraan Ph.D. studenten Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, en hun supervisors Andrea Gambassi van SISSA en Marcello Dalmonte van ICTP hebben ook bijgedragen, laat zien dat het experiment dat in het buitenland is uitgevoerd, kan worden geïnterpreteerd als een "kwantumsimulator" van een ijktheorie, een belangrijk verband omdat het het potentieel van laatstgenoemde bevestigt om de mysteries te onderzoeken die verband houden met de fundamentele krachten van de natuur.

"De theorieën die de fundamentele interacties beschrijven, bekend als ijktheorieën, zijn achter ons huidige begrip van de fysica van het universum, en om hun dynamiek te begrijpen is een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de theoretische natuurkunde, " voegt Alessio Lerose toe, co-auteur van de publicatie. "Om hieruit het gedrag van materie in extreme omstandigheden af ​​te leiden, zoals bij botsingen met hoge energie tussen zware atoomkernen, in de sterren en het oeruniversum na Big Bang, is een zeer complexe uitdaging die de theoretische en computationele methoden die beschikbaar zijn voor natuurkundigen zwaar op de proef heeft gesteld."

De ijktheorieën laten toe, bijvoorbeeld, om te begrijpen wat er gebeurt in experimenten zoals die bij CERN in Genève. "Deze verschijnselen zijn zeer complex", voegt Federica Surace toe. "Vanwege hun kwantumkarakter, het is erg moeilijk om betrouwbare voorspellingen te doen, zelfs met de modernste en krachtigste computers."

Kwantumsimulatoren

Een van de methoden die zijn bedacht om dit soort onderzoek uit te voeren, is juist die van kwantumsimulatoren, opgebouwd uit componenten, typisch atomen afgekoeld tot temperaturen dichtbij het absolute nulpunt die worden gecontroleerd door laser- en magnetische velden, wiens gedrag wordt bepaald door wiskundige vergelijkingen die vergelijkbaar zijn met die van de systemen die wetenschappers willen bestuderen, maar die veel gemakkelijker te maken zijn.

"Deze hulpmiddelen, " vervolgt Surace, "laat toe om de ijktheorieën te onderzoeken met behulp van experimentele apparatuur zo groot als een kamer in plaats van een versneller die tientallen kilometers lang is. Het onderzoek op dit gebied is nog maar net begonnen en dit doel is nog ver weg en toch zijn de eerste resultaten bemoedigend ".

Dit blijkt uit het werk van de fysici van SISSA en van ICTP, en het heeft al belangrijk bewijs geleverd van het potentieel van kwantumsimulators die al in het laboratorium beschikbaar zijn om de theorieën achter ons begrip van het heelal te bestuderen.

"We hebben aangetoond dat het model dat is geïmplementeerd door de kwantumsimulator die in Harvard is gemaakt, niets anders is dan een van de eenvoudigste ijktheorieën, maar die, in elk geval, voorziet in zeer niet-triviale verschijnselen, zoals vacuümverval en de opsluiting van elementaire deeltjes, " legt Alessio Lerose uit, onderstreept het belang van dit resultaat om een ​​simulator te creëren die voor alle kwantumsystemen kan worden gebruikt. "Momenteel, er is geen "universele simulator", namelijk een kwantumapparaat dat kan worden geprogrammeerd om elk ander kwantumsysteem te simuleren, maar het creëren ervan is een hoofddoel van het onderzoek op dit gebied van de natuurkunde. Er bestaan ​​nu kwantumsimulators met een uitstekend controleniveau waarmee minder complexe systemen kunnen worden gesimuleerd. In werkelijkheid, we weten nu dat het met wat meer moeite ook mogelijk is om complexere kwantumtheorieën te simuleren, zoals het Schwinger-model dat de protagonist van onze studie is geweest".