I fysik, inneslutning av partiklar är ett så viktigt fenomen att Clay Mathematics Institute till och med har utlovat en utmärkelse på en miljon dollar till alla som kan ge en övertygande och uttömmande vetenskaplig förklaring ur en matematisk synvinkel. Till exempel, kvarkarna är begränsade i par eller tre av den starka växelverkan - kraften som håller samman atomernas kärnor - som utgör neutroner och protoner. En nyligen genomförd studie vid SISSA lägger till ett nytt kapitel till vad vi vet om instängning. Med en relativt enkel metod, det har visat sig hur man avgör om, i ett system med ferromagnetiska egenskaper, de framväxande "partiklarna" är föremål för inneslutning. Studien publicerades i Naturfysik .

Stark interaktion är en av fysikens fyra grundläggande krafter, den mest intensiva är den som håller samman kärnan i en atom. "Vi kan säga att denna kraft är anledningen till att vi finns, eftersom utan det skulle inga av de element som utgör oss existera, " skämtar Pasquale Calabrese, Teoretisk fysiker vid International School for Advanced Studies (SISSA) i Trieste, som koordinerade den nya studien. Denna starka interaktion gör att kvarkar förblir "instängda" så att det är omöjligt att observera dem isolerade under normala förhållanden i naturen. "Det är som om dessa grundläggande partiklar var förenade av fjädrar:ju mer du drar isär dem, ju mer de försöker komma närmare varandra, " säger Calabrese. "Faktiskt, detta fenomen existerar inte bara för elementarpartiklar, som i exemplet med kvarkar, men också i modeller av statistisk fysik och kondenserad materia, som var föremål för studien vi genomförde i samarbete med universitetet i Budapest."

I sin forskning, Calabrese och kollegor, inklusive SISSA-forskaren Mario Collura, formulerade en förutsägelse för beteendet hos ett ferromagnetiskt system som drivs bort från sin termodynamiska jämvikt. "Hittills har dessa system undersökts i ett jämviktstillstånd, men vi visste inte vad som skulle hända om vi flyttade bort från det", säger vetenskapsmannen.

Systemet som studerats av Calabrese är en "snurrkedja" i ett ferromagnetiskt tillstånd. "Snurret" är som en mikroskopisk magnet och kan representeras av en pil. När snurrarna i ett material är inriktade (det vill säga alla pilar pekar i samma riktning) materialet är i ett ferromagnetiskt tillstånd, eller, en makroskopisk magnet.

Fläckar som sprider sig, kottar och kolvar

"För enkelheten, vi kan föreställa oss systemet i jämvikt som ett stort antal pilar som alla pekar i samma riktning. När detta är stört, genom att applicera ett magnetfält, till exempel, några pilar kommer att vända. I det här fallet säger vi att "partiklar" skapas, " säger Calabrese. "I ett normalt system utan instängdhet, dessa områden med omvända pilar tenderar att expandera spatialt på ett obestämt sätt, lite som en rödvinsfläck på en pappershandduk. Grafen som visar denna rumsliga expansion i tid är en kon, tekniskt kallad "ljuskon."

Om partiklarna i systemet är inneslutna, dock, då är saker annorlunda. "Faktiskt, vad vi kallar partiklar i det här fallet är väggarna som avgränsar områdena med omvända pilar, kanterna på "fläckarna". Ju mer de vänder sig bort, ju mer de attraheras av varandra. Detta innebär att fläcken inte kommer att expandera som den skulle göra i det vanliga systemet, men hellre, efter en viss tid, börja dra ihop sig." Grafen i det här fallet är inte längre en kon. "Det ser mer ut som en kolv, som först vidgas och sedan smalnar av igen."

"Om i systemet, oavsett om det är virtuellt eller verkligt, grafen som representerar "korrelationer" (pilarna i samma riktning) antar en kolvformad form snarare än en kon, då vet vi att partiklarna är instängda. Detta gör det enkelt att verifiera förekomsten av inneslutning, säger Calabrese.

Calabrese och kollegors studie är helt teoretisk, vilket gör det nästan till ett undantag för en tidskrift som normalt publicerar experimentell eller teoretisk/experimentell forskning." Detta får oss att tro att modellen vi föreslog ansågs lovande för forskning inom detta område, inklusive experimentella studier. I många fall är det svårt att upptäcka instängdhet. På det här sättet, för dessa material, det är mycket enklare. Vi arbetar hårt för att säkerställa att detta fenomen kan observeras experimentellt inom en snar framtid."