Att i ett laboratorium simulera vad som händer i partikelacceleratorer har varit ett ambitiöst mål i studiet av naturens grundläggande krafter som drivs av högenergifysiker under många år. Nu, tack vare forskning utförd av grupperna för statistisk fysik vid SISSA—Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati och "Abdus Salam" International Centre for Theoretical Physics (ICTP), det målet är närmare att nå.

"Vi har behandlat en mätteori, mer exakt Schwinger-modellen, som matematiskt beskriver interaktionen mellan mikroskopiska laddade partiklar, som elektroner och positroner, och ett elektriskt fält i en rumslig dimension, sa Federica Surace, Ph.D. student vid SISSA och huvudförfattare till forskningen, nyligen publicerad på Fysisk granskning X . "Vi har visat att denna teori kan simuleras i ett experiment med ultrakalla atomer bättre än vad miniräknare har gjort hittills. Detta experiment utfördes i Prof. Lukins laboratorium vid Harvard University."

Undersöker naturens grundläggande krafter

Studien, till vilken Ph.D. studenter Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, och deras handledare Andrea Gambassi från SISSA och Marcello Dalmonte från ICTP bidrog också, visar att experimentet som utförts utomlands kan tolkas som en "kvantsimulator" av en mätteori, en viktig koppling eftersom den bekräftar den senares potential att undersöka mysterierna som är förknippade med naturens grundläggande krafter.

"Teorierna som beskriver de grundläggande interaktionerna, kända som mätteorier, ligger bakom vår nuvarande förståelse av universums fysik, och att förstå deras dynamik är en av de viktigaste obesvarade frågorna inom teoretisk fysik, " tillägger Alessio Lerose, medförfattare till publikationen. "För att härav sluta sig till materiens beteende under extrema förhållanden, som vid högenergikollisioner mellan tunga atomkärnor, inuti stjärnorna och det ursprungliga universum efter Big-Bang, är en mycket komplex utmaning som allvarligt har testat de teoretiska och beräkningsmetoder som finns tillgängliga för fysiker."

Mätteorierna tillåter, till exempel, att förstå vad som händer i experiment som de som genomfördes vid CERN i Genève. "Dessa fenomen är mycket komplexa", tillägger Federica Surace. "På grund av deras kvantnatur, det är mycket svårt att göra tillförlitliga förutsägelser, även med de mest moderna och kraftfulla datorerna."

Kvantsimulatorer

En av metoderna som utarbetats för att utföra denna typ av undersökning är just kvantsimulatorer, består av komponenter, typiskt atomer kylda vid temperaturer nära absolut noll som kontrolleras av laser- och magnetfält, vars beteende styrs av matematiska ekvationer som liknar de system som forskare vill studera, men som är mycket lättare att skapa.

"Dessa verktyg, " fortsätter Surace, "tillåt att undersöka mätarteorierna med hjälp av experimentell utrustning så stor som ett rum istället för en accelerator som är tiotals kilometer lång. Forskningen på detta område har bara börjat och detta mål är fortfarande långt borta och ändå är de första resultaten uppmuntrande ".

Detta demonstreras av arbetet från fysikerna från SISSA och ICTP, och det har redan gett viktiga bevis på potentialen hos kvantsimulatorer som redan finns tillgängliga i laboratoriet för att studera teorierna bakom vår förståelse av universum.

"Vi har visat att modellen implementerad av kvantsimulatorn skapad i Harvard är ingen mindre än en av de enklaste mätteorierna men som, hur som helst, förutser mycket icke-triviala fenomen, såsom vakuumförfall och inneslutning av elementära partiklar, " förklarar Alessio Lerose, understryker vikten av detta resultat för att skapa en simulator som kan användas för alla kvantsystem. "För närvarande, det finns ingen "universell simulator", nämligen en kvantanordning som kan programmeras för att simulera vilket annat kvantsystem som helst, men att skapa en sådan är ett nyckelmål för forskningen inom detta fysikområde. Kvantsimulatorer finns nu som har en utmärkt kontrollnivå som möjliggör simulering av mindre komplexa system. I verkligheten, vi vet nu att med ytterligare ansträngningar är det också möjligt att simulera mer komplexa kvantteorier, som Schwinger-modellen som har varit huvudpersonen i vår studie".