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[Phringe] L'importanza di fare le scale in Fisica Nucleare

Fidatevi quando vi dico che la Fisica Nucleare è un bel casino e la nomea di astrusità che ci siamo fatti non è demeritata. La Fisica Nucleare è veramente ingarbugliata rispetto alle sorelle, come la Fisica delle Particelle o quella dei Semiconduttori, perchè vive di una, apparentemente insanabile, contraddizione: i suoi principi devono essere definiti partendo dalla fine.

Nell’articolo subito precedente a questo ho sfruttato la recente scoperta del pentaquark per spiegare un poco l’essenza dell’interazione forte. Spero di avervi trasmesso l’idea che la difficoltà intrinseca dell'**interazione forte **è il non essere _perturbativa a basse energie. Ovvero dato che i gluoni interagiscono con se stessi (e anche i gluoni che li fanno interagire, interagiscono allo stesso modo) è molto difficile, partendo da considerazioni fondamentali di Quantum Chromo Dynamics (la teoria fondamentale dell’interazione forte), calcolare e prevedere la struttura _dei neutroni e protoni, e sia mai dei loro insiemi.

Infatti rispetto alla fisica delle particelle, dove l’interazione forte è nel suo regime perturbativo e calcolabile, in quella dei semiconduttori, in cui l’interazione elettromagnetica è ben nota e da essa si puo' costruire, la fisica nucleare deve provare a tirarsi su dai lacci delle scarpe.

ordini di grandezza nella rappresentazione del nucleo

I gradini della scala che va dai quark ai nuclei.

Dato che le teorie fondamentali falliscono, dobbiamo ricorrere a teorie efficaci, che sono anche ottimi strumenti per imparare ciò che accade nel dettaglio. Allora saliamo di un gradino nella scala delle proprietà emergenti, e costruiamo una teoria efficace, partendo da quella fondamentale di QCD che descrive i quark ed è il punto di partenza in alto della figura a destra. A questo gradino della scala appartengono le interazioni fenomenologiche e le cosiddette Chirali (perchè vengono costruite sulla simmetria Chirale-ovvero destra e sinistra- ma ne parleremo un’altra volta magari…). Per intenderci questa costruzione copre il secondo e terzo gradino della scala a destra partendo dall’alto.

Nel caso nucleare purtroppo, un solo “round” di teoria efficace è attualmente del tutto insufficiente a coprire le svariate ed enormi esigenze del mondo dei nuclei, che è composto da una nutrita famiglia di 3000 isotopi scoperti e (almeno) altri 4000 da scoprire.

Le interazioni Chirali descrivono (non molto) bene qualche nucleo. Da un lato la potenza computazionale richiesta è estremamente elevata, e sono quindi ben lungi dall’avere carburante per avventurarsi ad esplorare l’intera valle dei nuclei,  rimanendo a descrivere quella trentina di nuclei molto leggeri e il circondario degli 8 nuclei “magici” che permettono semplificazioni. Dall’altro lato il passaggio dalla pura QCD alla teoria efficace Chirale è tutt’altro che indolore, e le proprietà anche di quella manciata di nuclei non sono ben riprodotte, ovvero i nuclei vengono circa il 10% più piccoli e più duri della realtà. La svolta l’ha apportata il gruppo di Oak Ridge quest’anno, con uno stupendo lavoro statistico Andreas Ekstrom ed altri hanno sviluppato una interazione della stessa famiglia, tuttavia “speziandola” con dei dati di nuclei già fatti e finiti per aggiustare le discrepanze.

Questo già dimostra la necessità pratica di una teoria efficace che non sia solo applicazione _emergente _della struttura fine, ma che sia realizzata contenendo caratteristiche dell’oggetto che si voglia descrivere.

La Fisica Nucleare nella sua vastità di 7000 isotopi da descrivere tuttavia non può attualmente neppure affidarsi a questa àncora dell’interazione chirale, che, anche nella sua versione “speziata”, continua ad essere utilizzabile solo su una manciata di essi. Mancava il collegamento fra il terzo e il quarto gradino della scala in figura e quindi senza il piolo su cui appoggiarsi per salire, si era costretti a definire tutto a partire dal tutto stesso. La Fisica Nucleare insomma viveva un’empasse durato 50 anni (40 dal Nobel di Bohr e Mottelson) un tentativo tautologico e Sisifeo di auto-spiegarsi, di costruire una interazione partendo dall’analisi statistica di un metodo, per poi raffinare il metodo utilizzando questa interazione e quindi poter costruire una nuova interazione e così via.

Questo almeno fino a Luglio, quando una nuova speranza si affaccia (e non mi riferisco solo al fighissimo behind the scenes reel di Guerre Stellari). Parlavo tempo fa di convincere gli inglesi a dare una chance alla fisica nucleare. Beh ecco, l’hanno data, a me (che diventerò un Royal Society Research Fellow, a quanto pare…), a qualcun altro (Italiani alla riscossa, ne parlerò in un altro post o nei commenti magari), ma specialmente a uno dei pachidermi del campo.

Dobaczewski, esperto e grande innovatore di metodi “del quarto gradino”, si è ritrovato nella comunità inglese, esperta di metodi “del terzo gradino”. Per agevolare le sinergie che tanto piacciono alla regina, quest’estate ha realizzato con mirabile colpo di reni quest’altra nuova speranza. In pratica è un modo piuttosto generale per costruire una mappa che passi da una interazione (hamiltoniana) a un’altra, e quindi per costruire _teorie efficaci, _ovvero si tratta di un manuale per costruire gradini.

Era forse un po' nella mente di tutti ma che nessuno aveva i mezzi per concretizzare, e poter iniziare a costruire il quarto gradino appoggiandosi al terzo e non sulla statistica.

Ora ci stiamo lavorando sopra in un po' di gente, e si spera vedremo bei risultati.

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