Provato per la prima volta il comportamento quantistico di fermioni con molti "colori"

Realizzati per la prima volta in laboratorio nuovi stati della materia, previsti dalla meccanica quantistica. E’ il risultato raggiunto da un gruppo di ricerca del Laboratorio Europeo per la Spettroscopia non Lineare (LENS) e del Dipartimento di Fisica e Astronomia, pubblicato online sulla rivista scientifica Nature Physics (“A one-dimensional liquid of fermions with tunable spin”, doi:10.1038/nphys2878).

Il team fiorentino, guidato da Leonardo Fallani, ricercatore del Dipartimento di Fisica e Astronomia e da Massimo Inguscio, ordinario di Fisica della materia dell'Università di Firenze e presidente dell’Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica di Torino, ha creato in laboratorio le condizioni perché le particelle di cui è composta la materia possano esibire comportamenti nuovi rispetto a quelli osservati in natura, utilizzando tecnologie laser all’avanguardia realizzate nei laboratori dell’ateneo. Al risultato hanno contribuito anche i ricercatori dell’Istituto Nazionale di Ottica del CNR Jacopo Catani e Carlo Sias e della Swinburne University (Melbourne, Australia) Hui Hu e Xia-Ji Liu.

 “La meccanica quantistica - spiega Fallani - prevede che, a livello microscopico, le particelle si dividano in due famiglie nettamente separate: bosoni e fermioni. La quasi totalità delle particelle che costituiscono la materia, come elettroni, protoni e neutroni, sono di tipo fermionico e la maggior parte di queste ha spin ½, ovvero si può trovare in due stati interni distinti. Nella fisica delle particelle - prosegue il ricercatore - si trovano anche fermioni che hanno più di due varietà, ad esempio i quark, che possono presentarsi in tre stati interni, detti colori, diversi. Le proprietà della materia che ci circonda dipendono in ultima analisi da come queste particelle elementari interagiscono tra loro e da come si combinano i loro spin e i loro colori: dallo spin ½ degli elettroni deriva il magnetismo di certi materiali, mentre i tre colori dei quark sono responsabili per l’esistenza dei protoni e dei neutroni di cui sono costituiti gli atomi.”

I ricercatori hanno realizzato in laboratorio un sistema di fermioni nel quale il numero di "colori”, invece di essere fissato dalla natura, può essere controllato, da uno fino a sei. Per farlo hanno utilizzato un gas di atomi di itterbio - elemento che viene utilizzato per realizzare gli orologi atomici più precisi al mondo - raffreddato fino a temperature di pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, grazie all’utilizzo di sistemi laser sofisticati messi a punto nei laboratori fiorentini. “A quelle temperature gli atomi di un gas si comportano secondo le leggi della meccanica quantistica - racconta il ricercatore - e ci hanno permesso di ricreare in laboratorio il comportamento delle particelle elementari, controllandole come se fossero mattoncini di diverso colore che possiamo mettere insieme a piacere e delle quali possiamo osservare direttamente le proprietà.”

“Per la prima volta abbiamo realizzato una catena di fermioni fortemente interagenti e abbiamo studiato il loro comportamento al variare del numero di colori in cui questi si possono presentare. In particolare - prosegue Fallani - abbiamo rivelato un effetto molto speciale: quando il numero dei loro colori diventa elevato, questi atomi in qualche modo smettono di comportarsi come fermioni e assumono invece alcune proprietà che sono peculiari dei bosoni. In altre parole, il numero elevato di colori e le forti interazioni tra le particelle, fanno sì che fermioni e bosoni non siano più due famiglie totalmente distinte l’una dall’altra, ma possano in un certo senso trasformarsi l’una nell’altra. Questo effetto di meccanica quantistica fondamentale - precisa il ricercatore - è stato ipotizzato soltanto pochi anni fa dal Premio Nobel per la Fisica Yang, ma non era mai stato dimostrato precedentemente.”

“Le prospettive di questa ricerca sono molteplici - commenta Fallani - Le tecniche che abbiamo sviluppato potranno consentire di ricreare in laboratorio comportamenti analoghi a quelli che si hanno nel mondo subnucleare, senza però utilizzare acceleratori o ricorrere a simulazioni su supercomputer, e a studiare nuovi stati della materia. In altre parole - conclude il ricercatore - possiamo utilizzare i nostri atomi-mattoncini come simulatori quantistici per osservare effetti estremamente difficili da calcolare e contribuire a risolvere problemi aperti della Fisica.”

La ricerca è stata possibile grazie ai finanziamenti dell’Unione Europea, in particolare della Commissione (AQUTE e SIQS) e dell’European Research Council (Advanced Grant DISQUA), e a quelli del Ministero dell’Istruzione, dell’Università e della Ricerca e dell’Istituto Italiano di Tecnologia.

La figura illustra, in maniera schematica, il sistema realizzato in laboratorio. Atomi di itterbio, a pochi miliardesimi di grado sopra lo zero assoluto, vengono intrappolati in un “tubo di luce” e resi fortemente interagenti dal forte confinamento. Fasci laser permettono di controllare il numero dei loro “colori” e di studiarne le proprietà.