I condensati nella geometria degli spazi-tempi curvi

RICERCANDO ALL’ESTERO – La teoria quantistica dei campi nello spazio-tempo curvo è stata usata per descrivere fenomeni come la creazione di particelle dai buchi neri, l’evaporazione dei buchi neri e le perturbazioni nell’universo primitivo durante l’inflazione. Inoltre questa teoria rappresenta la connessione tra la relatività generale, la termodinamica e la teoria quantistica dei campi.

Vincenzo Vitagliano è un fisico che lavora a Lisbona e, in questo campo, si occupa di sistemi fortemente interagenti in presenza di un campo gravitazionale forte.

In che cosa consiste la teoria quantistica dei campi e spazi-tempi curvi?

Negli ultimi vent’anni c’è stata un’esplosione di ricerche volte a studiare teorie alternative alla relatività di Einstein, dato che l’energia oscura o la materia oscura vengono considerate avvisaglie del fatto che la relatività generale non funziona.

Gli oggetti astrofisici, le stelle di neutroni, i buchi neri o gli eventi come il Big Bang sono tutti sistemi estremamente densi che raggiungono energie altissime, la cui fisica ci è ancora sconosciuta perché non siamo in grado di descriverla in modo esatto. L’unica possibilità per farlo sarebbe avere una teoria quantistica della gravità. Purtroppo una teoria simile non c’è e non ci sarà nel prossimo futuro, quindi si cerca un regime mesoscopico tra quello in cui funziona la gravità quantistica e quello in cui funziona la relatività generale classica.
La teoria quantistica dei campi e spazi-tempi curvi sta in questa via di mezzo e studia come vengono quantizzati i campi e in che modo lo spazio-tempo curvo, quindi la gravità (considerata come un campo fisso che non evolve), influenza la teoria quantistica.

Che ruolo hanno gli effetti quantistici del campo gravitazionale?

Sappiamo come funziona la teoria quantistica dei campi su spazi-tempi piatti, ma quando c’è di mezzo la gravità lo spazio-tempo possiede una metrica, cioè un campo che definisce come è fatto. E non è facile sapere come questa metrica entra nello studio della teoria quantistica dei campi.

Tuttavia il problema non è soltanto speculativo, anzi ci sono stati diversi risultati e il più famoso riguarda la radiazione di Hawking e l’evaporazione dei buchi neri. In pratica, vicino alla regione che delimita un buco nero ci sono fluttuazioni quantistiche in cui si creano coppie particella-antiparticella (una con energia positiva, una con energia negativa). A differenza di quello che ci è stato insegnato a scuola, cioè che il buco nero è qualcosa in cui tutto entra ma niente può uscire, Stephen Hawking ha proposto che, nelle coppie di particelle create vicino all’orizzonte degli eventi, la particella con energia negativa cada effettivamente dentro al buco nero ma quella positiva riesca a fuggire. Al netto, quello che si osserva è un flusso di particelle emesse dal buco nero, che quindi perde sempre più massa e diventa sempre più piccolo.

Osservando il suo spettro di emissione vediamo che, man mano che le particelle si allontanano, la temperatura aumenta, quindi queste particelle devono avere energia sempre più alta. Sappiamo infatti che, se le temperature sono basse, il buco nero sta emettendo particelle estremamente poco energetiche e con massa praticamente nulla, come fotoni e neutrini. Quando la temperatura aumenta, si emettono elettroni e particelle descritte dal modello standard. A un certo punto la temperatura è così alta e la massa così piccola che il buco nero comincia a emettere quark. Questi quark formano dei condensati.

Si può andare oltre ma il mio lavoro è centrato proprio su questa parte: in pratica studio come si comportano i sistemi fortemente interagenti quando sono al cospetto di un campo gravitazionale forte. La cromodinamica quantistica (QCD), che dice come funziona la dinamica dei quark, è uno di questi sistemi.

Che tipi di modelli si possono creare attraverso la QCD?

La maggior parte dei modelli su sistemi fortemente interagenti fornisce risultati di tipo numerico. Si stanno sviluppando delle tecniche molto complesse per rappresentare i sistemi anche dal punto di vista matematico ma al momento si riescono a studiare solo i casi più semplici.

In generale, le teorie come la cromodinamica quantistica non mirano a descrivere in maniera esatta la natura dei sistemi studiati ma creano un modello fenomenologico che mostra in modo approssimativo come funziona la realtà. E per oggetti come buchi neri o stelle esotiche è già una cosa buona: l’esito non sarà mai un numero ma permetterà di vedere, per esempio, qual è il profilo del condensato di quark all’esterno del buco nero, da cui sarà possibile fare delle previsioni sulla sua fenomenologia.

Come sono fatti i condensati di quark?

Abbiamo iniziato a studiare il loro diagramma di fase, per capire lo stato del sistema in funzione della sua energia e temperatura. Siamo riusciti a identificare la zona della transizione di fase, cioè la regione in cui i quark passano dalla fase deconfinata a quella confinata dove sono costretti ad adronizzare, cioè farsi neutroni o protoni.
In realtà il diagramma di fase della QCD è più complicato, perché c’è anche la simmetria chirale: abbiamo perciò cercato di capire quando i quark si trovano nella fase di simmetria chirale rotta e quando in quella ristorata.

Tutte queste fasi sono fortemente influenzate dal campo gravitazionale e negli studi fenomenologici non possiamo trascurarlo. Questo vale per tutti i sistemi astrofisici o di fisica delle altissime energie: dall’evaporazione dei buchi neri, quindi emissione di particelle elementari (tra cui appunto quark); alle stelle di neutroni, oggetti con un fortissimo campo gravitazionale fatti, secondo le ipotesi più in voga, da una mistura di neutroni e quark; al Big Bang, da cui è scaturito il plasma primordiale di quark e altre particelle.

Per descrivere la fisica di questi condensati formatisi in condizioni di energie estremamente elevate possiamo ricorrere ai modelli di sistemi fortemente interagenti e con la mia ricerca vorrei riuscire a capire come funzionano questi sistemi in presenza di campi gravitazionali forti.

Quali sono le prospettive future del tuo lavoro?

I sistemi fortemente accoppiati non funzionano solo su scale astrofisiche ma sono completamente generali. La nostra idea è prendere sistemi di questo tipo, ma costruiti in laboratorio (come i superconduttori), e cambiarne le proprietà conformazionali, cioè cambiare la loro geometria, inserire dei difetti, entrando così nell’ambito degli spazi che sono curvi. L’obiettivo finale è vedere l’effetto della curvatura sulle proprietà fisiche di questi materiali.

Nome: Vincenzo Vitagliano
Età: 35 anni
Nato a: Napoli
Vivo a: Lisbona (Portogallo)
Dottorato in: fisica delle astroparticelle (Trieste)
Ricerca: Sistemi fortemente accoppiati in spazi-tempi curvi
Istituto: CENTRA, Instituto Superior Técnico (Lisbona)
Interessi: sono un bibliomane, giardinaggio, la Società Sportiva Calcio-Napoli
Di Lisbona mi piace: la vista dal balcone di casa mia, la lingua portoghese, il cornetto di Careca
Di Lisbona non mi piace: gli spacciatori della Baixa, i tuk-tuk, la gentrificazione

Leggi anche: Alla scoperta di nuovi materiali quantistici

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Nota: il 2 ottobre 2017 il titolo è stato modificato in quanto non esatto. Il titolo originale era: “La gravità nella geometria degli spazi-tempi curvi”