Faretre magnetiche rivelano nuovi segreti della fisica quantistica

I fisici hanno introdotto il concetto di faretre magnetiche per analizzare le teorie quantistiche dei campi (QFT), rivelando nuovi modi per visualizzare le interazioni e le proprietà all’interno di questi sistemi.

Faretre magnetiche illuminano il meccanismo di Higgs

I ricercatori hanno utilizzato faretre magnetiche per approfondire i fondamenti della fisica quantistica, in particolare attraverso la lente delle teorie dei campi quantistici supersimmetrici, fornendo una nuova interpretazione del meccanismo di Higgs, e illustrando come le particelle guadagnano massa e il potenziale decadimento e fissione all’interno dei QFT.

Un gruppo di ricerca internazionale guidato da Marcus Sperling, responsabile del progetto del premio START presso la Facoltà di Fisica dell’Università di Vienna, ha suscitato l’interesse della comunità scientifica con risultati pionieristici nel campo della fisica quantistica: nel loro studio attuale, i ricercatori hanno reinterpretato il meccanismo di Higgs, che conferisce massa alle particelle elementari e innesca transizioni di fase, utilizzando il concetto di “freme magnetiche”. Il lavoro è stato pubblicato sulla prestigiosa rivista Physical Review Letters.

Il fondamento della ricerca di Marcus Sperling, che si trova all’intersezione tra fisica e matematica, è la Teoria Quantistica dei Campi (QFT), un concetto fisico-matematico all’interno della fisica quantistica incentrato sulla descrizione delle particelle e delle loro interazioni a livello subatomico. Dal 2018, insieme ai colleghi, Sperling ha sviluppato le cosiddette “faretre magnetiche”, uno strumento grafico che riassume tutte le informazioni necessarie per definire un QFT, visualizzando così in modo chiaro e intuitivo le complesse interazioni tra campi di particelle o altre quantità fisiche.

Faretre magnetiche metaforiche

Una faretra è composta da frecce e nodi diretti. Le frecce rappresentano i campi quantistici (campi di materia), mentre i nodi rappresentano le interazioni – ad esempio forte, debole o elettromagnetico – tra i campi. La direzione delle frecce indica come vengono caricati i campi sotto le interazioni, ad esempio, quale carica elettrica trasportano le particelle.

Marcus Sperling ha spiegato: “Il termine ‘magnetico’ è stato usato anche metaforicamente per indicare le proprietà quantistiche inaspettate rese visibili da queste rappresentazioni. Similmente allo spin di un elettrone, esso che può essere rilevato attraverso un campo magnetico, le faretre magnetiche rivelano alcune proprietà o strutture nei QFT che potrebbero non essere ovvie a prima vista. Pertanto, offrono un modo pratico per visualizzare e analizzare fenomeni quantistici complessi, facilitando nuove intuizioni sui meccanismi sottostanti del mondo quantistico”.

Per il presente studio, sono stati esplorati gli stati fondamentali stabili (vacua) – la configurazione a energia più bassa in cui non sono presenti particelle o eccitazioni – in una varietà di “QFT supersimmetrici”. Questi QFT, con la loro simmetria spazio-temporale semplificata, fungono da ambiente di laboratorio, poiché assomigliano a sistemi fisici reali di particelle subatomiche ma hanno alcune proprietà matematiche che facilitano i calcoli.

Il vincitore del premio FWF START, Sperling, ha dichiarato: “La nostra ricerca riguarda i fondamenti della nostra comprensione della fisica. Solo dopo aver compreso i QFT nel nostro ambiente di laboratorio potremo applicare queste intuizioni ai modelli più realistici”.

Il concetto di faretre magnetiche – uno dei principali argomenti di ricerca del progetto START di Sperling presso l’Università di Vienna – è stato utilizzato come strumento per fornire una descrizione geometrica precisa dei nuovi vuoti quantistici.

Faretre magnetiche svelano il mistero della massa

Con calcoli basati sull’algebra lineare, i ricercatori Antoine Bourget (Università Parigi Saclay), Marcus Sperling e Zhenghao Zhong (Università di Oxford) hanno dimostrato che, analogamente alla radioattività nei nuclei atomici, un fremito magnetico può decadere in uno stato più stabile o fissione in due faretre separate. Queste trasformazioni offrono una nuova comprensione del meccanismo di Higgs nei QFT, che decadono in QFT più semplici o si scindono in separati e indipendenti.

Il fisico Sperling ha concluso: “Il meccanismo di Higgs spiega come le particelle elementari acquisiscono la loro massa interagendo con il campo di Higgs, che permea l’intero universo. Le particelle interagiscono con questo campo mentre si muovono nello spazio, in modo simile a un nuotatore che si muove nell’acqua”.

Una particella priva di massa solitamente si muove alla velocità della luce. Tuttavia, quando interagisce con il campo di Higgs, “si attacca” a questo campo e diventa lenta, portando alla manifestazione della sua massa. Il meccanismo di Higgs è quindi un concetto cruciale per comprendere gli elementi costitutivi e le forze fondamentali dell’universo.

Matematicamente, l’algoritmo di “decadimento e fissione” si basa sui principi dell’algebra lineare e su una chiara definizione di stabilità. Esso funziona in modo autonomo e non richiede input esterni.

I risultati ottenuti con metodi ispirati alla fisica non sono rilevanti solo nella fisica ma anche nella ricerca matematica offrendo una descrizione fondamentale e universalmente valida delle complesse strutture intrecciate dei vuoti quantici.