Simular em laboratório o que acontece em aceleradores de partículas tem sido uma meta ambiciosa no estudo das forças fundamentais da natureza perseguidas por físicos de alta energia por muitos anos. Agora, graças à pesquisa realizada pelos grupos de física estatística da SISSA - Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati e do "Abdus Salam" Centro Internacional de Física Teórica (ICTP), essa meta está mais perto de ser alcançada.

"Nós lidamos com uma teoria de calibre, mais precisamente o modelo de Schwinger, que descreve matematicamente a interação entre partículas microscópicas carregadas, como elétrons e pósitrons, e um campo elétrico em uma dimensão espacial, "disse Federica Surace, Ph.D. estudante do SISSA e autor principal da pesquisa, publicado recentemente em Revisão Física X . "Nós mostramos que esta teoria pode ser simulada em um experimento com átomos ultracold melhor do que as calculadoras fizeram até agora. Este experimento foi conduzido no laboratório do Prof. Lukin na Universidade de Harvard."

Investigando as forças fundamentais da natureza

O estudo, ao qual Ph.D. alunos Paolo P. Mazza, Giuliano Giudici, Alessio Lerose, e seus supervisores Andrea Gambassi da SISSA e Marcello Dalmonte do ICTP também contribuíram, mostra que o experimento realizado no exterior pode ser interpretado como um "simulador quântico" de uma teoria de calibre, uma conexão importante porque confirma o potencial deste último para investigar os mistérios associados às forças fundamentais da natureza.

"As teorias que descrevem as interações fundamentais, conhecidas como teorias de calibre, estão por trás de nossa compreensão atual da física do universo, e entender sua dinâmica é uma das questões não respondidas mais importantes na física teórica, "acrescenta Alessio Lerose, co-autor da publicação. "Para inferir disso o comportamento da matéria em condições extremas, como em colisões de alta energia entre núcleos atômicos pesados, dentro das estrelas e do universo primordial pós-Big-Bang, é um desafio muito complexo que testou severamente os métodos teóricos e computacionais disponíveis para os físicos. "

As teorias de calibre permitem, por exemplo, para entender o que acontece em experimentos como os realizados no CERN em Genebra. “Esses fenômenos são muito complexos”, acrescenta Federica Surace. "Devido à sua natureza quântica, é muito difícil fazer previsões confiáveis, mesmo com os computadores mais modernos e poderosos. "

Simuladores quânticos

Um dos métodos idealizados para realizar este tipo de investigação é justamente o de simuladores quânticos, feito de componentes, tipicamente átomos resfriados a temperaturas próximas do zero absoluto, que são controlados por laser e campos magnéticos, cujo comportamento é governado por equações matemáticas semelhantes às dos sistemas que os cientistas desejam estudar, mas que são muito mais fáceis de criar.

"Essas ferramentas, "continua Surace, "permitem investigar as teorias de gauge utilizando equipamentos experimentais do tamanho de uma sala em vez de um acelerador de dezenas de quilômetros de extensão. A pesquisa neste campo está apenas começando e esse objetivo ainda está muito longe, mas os primeiros resultados são encorajadores "

Isso é demonstrado pelo trabalho dos físicos do SISSA e do ICTP, e já forneceu provas importantes do potencial dos simuladores quânticos já disponíveis no laboratório para estudar as teorias por trás de nossa compreensão do Universo.

"Demonstramos que o modelo implementado pelo simulador quântico criado em Harvard não é outro senão uma das teorias de calibre mais simples, mas que, em todo o caso, prevê fenômenos altamente não triviais, como a decadência do vácuo e o confinamento de partículas elementares, "explica Alessio Lerose, ressaltando a importância deste resultado para a criação de um simulador que pode ser usado para todos os sistemas quânticos. "Atualmente, não existe um "simulador universal", ou seja, um dispositivo quântico que pode ser programado para simular qualquer outro sistema quântico, mas criá-lo é um dos objetivos principais da pesquisa nesta área da física. Agora existem simuladores quânticos que possuem um excelente nível de controle que permite a simulação de sistemas menos complexos. Na realidade, agora sabemos que com algum esforço adicional também é possível simular teorias quânticas mais complexas, como o modelo Schwinger que foi o protagonista do nosso estudo ".