Ipernuclei e stelle di neutroni al computer

Esistono metodi computazionali in grado di riprodurre in modo accurato la fisica dei sistemi nucleari e di stimare alcune loro proprietà, come l'energia e il raggio per un nucleo e l'energia e la massa per una stella a neutroni.

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Il primo successo, nello studio delle stelle di neutroni, è stato riuscire a riprodurre, con il nostro modello teorico, le informazioni sperimentali esistenti sui sistemi con stranezza, cioè quelli con protoni, neutroni e iperoni. Per cercare di studiare l’interazione tra queste particelle abbiamo sviluppato un codice Quantum Monte Carlo.

RICERCANDO ALL’ESTERO – “È un piacere e un onore avere la possibilità di contribuire alla comprensione dei fenomeni fisici, da quelli piccoli sul nostro Pianeta a quelli infinitamente grandi dell’Universo. Mi viene spontaneo e mi dà grande soddisfazione lavorare col computer in uno dei settori tra i più complicati da descrivere dal punto di vista teorico: sono un fisico teorico computazionale che lavora in fisica nucleare”.

Nome: Diego Lonardoni
Età: 31 anni
Nato a: Negrar (VR)
Vivo a: Santa Fe (Stati Uniti)
Dottorato in: Fisica (Trento)
Ricerca: Calcoli di Quantum Monte Carlo per simulazioni di fisica e astrofisica nucleare.
Istituto: Los Alamos National Laboratory (Los Alamos, USA); Michigan State University (East Lansing, USA)
Interessi: snowboard, skateboard, surf, tennis; sono un fanatico dei lego; macchine e motori; film d’azione e di fantascienza; i fumetti della Marvel.
Di Santa Fe mi piace: l’atmosfera rilassante, i colori e la struttura delle case, il cibo, il clima.
Di Santa Fe non mi piace: è nel deserto in mezzo al nulla.
Pensiero: Il computer non è una macchina intelligente che aiuta le persone stupide, anzi è una macchina stupida che funziona solo nelle mani delle persone intelligenti. (Umberto Eco)

In cosa consistono i calcoli Quantum Monte Carlo?
Si tratta di una classe di algoritmi computazionali basati sul campionamento di numeri random per ottenere risultati numerici. Vengono tipicamente impiegati per risolvere problemi matematici e fisici, in particolare nel caso di sistemi con molti gradi di libertà fortemente correlati come quelli nucleari. Per questi sistemi bisogna ricorrere ad algoritmi quantistici ma per semplificare immaginiamo un modello classico con un insieme di palline che interagiscono tra loro: se sono troppo vicine tendono a respingersi come due calamite, se sono a una certa distanza stanno bene e tendono ad attrarsi, se sono molto distanti non si sentono nemmeno. Per cercare di capire come si distribuiranno queste particelle e come evolverà il sistema a partire da una condizione iniziale, possiamo usare algoritmi computazionali. Nel nostro esempio possiamo aspettarci che le particelle tenderanno a stare in un volume che corrisponde alla zona di interazione favorevole, cioè quella di attrazione. Per verificare tale ipotesi usiamo una simulazione al computer che utilizza la generazione di numeri casuali per spostare le varie particelle in una direzione casuale per una distanza casuale. Dopo ogni mossa ricalcoliamo le proprietà del sistema, cioè l’interazione tra la particella spostata e tutte le altre e l’energia corrispondente: se è minore o simile a quella precedente allora la mossa è buona e viene accettata, altrimenti bisognerà generare un’altra serie di spostamenti random. La procedura viene ripetuta finché il sistema raggiunge l’equilibrio, cioè la condizione energeticamente più favorevole. Da qui in poi qualsiasi altra mossa potrà essere utilizzata per stimare le proprietà fisiche del sistema in analisi.

Che tipo di sistemi studi?
Il mio lavoro consiste nello scrivere un codice che riesca a riprodurre la fisica di un nucleo o di una stella di neutroni a partire dagli ingredienti di base, cioè protoni e neutroni e iperoni, e con l’appropriata interazione nucleare. Gli iperoni sono particelle “strane”, dove la stranezza è una grandezza fisica ben definita che vale 0 per protoni e neutroni e un numero diverso da 0 per gli iperoni. La loro esistenza è stata verificata sperimentalmente attraverso lo studio degli ipernuclei e se ne ipotizza la presenza nelle stelle di neutroni.

Cercare di spiegare la fisica dal mondo microscopico a quello macroscopico è una cosa molto affascinante: gli ingredienti del nucleo, che ha dimensioni nell’ordine del femtometro cioè 10-15 m, sono fondamentalmente gli stessi delle stelle di neutroni, che hanno però dimensioni di chilometri. Se i mattoncini di base sono gli stessi, anche la fisica che sta alle spalle potrebbe essere la stessa e quindi usando un metodo computazionale consistente possiamo studiare sia l’infinitamente piccolo che l’infinitamente grande.

Le proprietà dei sistemi nucleari calcolate con le simulazioni Quantum Monte Carlo, come l’energia e il raggio, vanno poi confrontate con i valori sperimentali e le osservazioni astrofisiche: se c’è accordo si ha una buona probabilità di aver individuato almeno le principali proprietà del sistema, se c’è discordanza si vanno a valutare le possibili cause. Di solito o la teoria è sbagliata, e due particelle che si pensava interagissero in realtà non si sentono nemmeno, oppure il metodo computazionale che si sta usando non è corretto. Bisogna sempre stare attenti all’algoritmo che si vuole implementare, perché alcuni vanno bene per la fisica atomica altri per la chimica quantistica, altri per la fisica nucleare. È un po’ come giocare con i Lego: se hai i mattoncini del colore e della forma giusta, il modello finale sarà funzionale, esteticamente bello e probabilmente fedele alla realtà. Purtroppo però in fisica non abbiamo il libretto di istruzioni e quindi prendere i mattoncini corretti, assemblarli e cercare di riprodurre qualcosa di simile alla realtà è davvero una sfida.

Cosa avete scoperto sulle stelle di neutroni?
Il primo successo è stato riuscire a riprodurre, con il nostro modello teorico, le informazioni sperimentali esistenti sui sistemi con stranezza, cioè quelli con protoni, neutroni e iperoni. Per cercare di studiare l’interazione tra queste particelle abbiamo sviluppato un codice Quantum Monte Carlo e, dopo aver fatto girare i nostri calcoli su supercomputer, abbiamo ottenuto predizioni teoriche per le energie degli ipernuclei. Confrontando i dati ottenuti con quelli sperimentali, abbiamo visto che c’erano delle discrepanze e quindi abbiamo migliorato il modello teorico fino a quando siamo riusciti a ottenere un buon accordo.

L’altro grande obiettivo della nostra ricerca era riuscire a connettere il sistema ipernucleo con le stelle di neutroni in modo da risolvere il cosiddetto problema del “puzzle di iperoni”, tornato di moda nel 2010.  In pratica, l’osservazione di stelle di neutroni molto pesanti, cioè con una massa due volte quella solare, ha messo in dubbio la presenza di iperoni in queste stelle, mettendo in crisi gran parte dei modelli teorici esistenti. Per questo, negli ultimi anni è nato tutto un nuovo filone di ricerca, quello della fisica ipernucleare, dedicato allo sviluppo di nuovi modelli che spieghino le proprietà di questi oggetti strani.
Il nostro lavoro era cercare di dedurre come gli iperoni interagissero con protoni e neutroni, confrontando le simulazioni con gli esperimenti su Terra, e poi usare lo stesso modello per studiare le stelle di neutroni. Alla fine abbiamo concluso che non è da escludere la possibilità che nelle stelle di neutroni ci siano anche iperoni.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?
Mi piacerebbe spostarmi sull’astrofisica nucleare, quindi cercare di applicare i risultati ottenuti in questi anni per descrivere il cosmo, pur restando a lavorare con linee di codice e supercomputer. In particolare sono rimasto affascinato dai recenti traguardi scientifici, come la rilevazione delle onde gravitazionale, e da tutto l’interesse che c’è nello sviluppo della tecnologia nelle osservazioni dello spazio.

Leggi anche: I radiotelescopi per rilevare le onde gravitazionali

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