Identifiera elementära beståndsdelar av materia inklusive kvarkar, bosoner och elektroner, och det sätt på vilket dessa partiklar interagerar med varandra, utgör en av de största utmaningarna inom modern fysik. Att lösa detta enastående problem kommer inte bara att fördjupa vår förståelse av universums tidiga dagar, men kommer också att belysa exotiska tillstånd av materia, som supraledare.

Förutom gaser, vätskor och fasta ämnen, materia kan existera i andra former när den utsätts för extrema förhållanden. Sådana situationer möttes i universum direkt efter Big Bang, och de kan också efterliknas i laboratoriet. Och medan en uppsjö av elementarpartiklar upptäcktes i högenergikolliderar, komplexa frågor om deras interaktioner och existensen av nya materiatillstånd förblir obesvarade.

I samarbete med Immanuel Blochs experimentgrupp, Monika Aidelsburger och Christian Schweizer (München), och teoretiker Eugene Demler och Fabian Grusdt (Harvard), Nathan Goldman och Luca Barbiero (fysik för komplexa system och statistisk mekanik, Science Faculty) har föreslagit och validerat ett nytt experimentellt tillvägagångssätt genom vilket dessa rika fenomen kan studeras.

Publicerad i Naturfysik , deras arbete rapporterar om det experimentella förverkligandet av en "lattice gauge theory, "en teoretisk modell som ursprungligen föreslogs av Kenneth Wilson, Mottagare av Nobelpriset i fysik 1982, att beskriva växelverkan mellan elementarpartiklar som kvarkar och gluoner. Författarna visar att deras experimentupplägg, en ultrakall gas av atomer som manipuleras av laser, återger egenskaperna hos en sådan modell. Utmaningen bestod i att implementera väldefinierade interaktioner mellan materiepartiklar och mätbosoner, som är förmedlare av grundläggande krafter. I kallatomsammanhang, dessa typer av partiklar representeras av olika atomära tillstånd, som kan åtgärdas på ett mycket fint sätt med hjälp av laser.

Detta nya experimentella tillvägagångssätt utgör ett viktigt steg för kvantsimulering av mer sofistikerade teorier, som så småningom kan kasta lite ljus över öppna frågor inom högenergi- och fast tillståndsfysik med hjälp av bordsexperiment.