Skyrmions, particelle magnetiche sempre più promettenti per i futuri computer

Durante la seconda metà del XIX sec^H Nel XX secolo, il famoso fisico britannico Kelvin ebbe un'idea brillante quando lesse il lavoro del suo collega tedesco Hermann Helmholtz. Quest'ultimo ha dimostrato che gli anelli di fluido rotante erano perfettamente stabili e agivano l'uno sull'altro con forze che ricordavano quelle trovate nei campi magnetici tra fili percorsi da corrente elettrica. Kelvin concluse che gli atomi erano in realtà fili di liquido che ruotavano attorno ad un asse centrale formando diversi nodi, uno per ciascun elemento chimico. Il fluido che trasporta questi fili è stato interpretato come l'etere, il mezzo materiale le cui pressioni e onde dovrebbero essere l'origine del campo elettromagnetico.

Sebbene sia elegante e attraente, questo… Teoria unitaria Fu un triste fallimento, come hanno dimostrato gli sviluppi della teoria quantistica degli atomi. Tuttavia, i fisici mantennero l’idea che strutture stabili discrete, che possono essere interpretate come particelle, potessero derivare da equazioni non lineari, come le equazioni di Navier-Stokes, che descrivono campi continui.

Conosciamo quindi l'esistenza dei solitoni, che sono tipi di pacchetti energetici stabili nei mezzi descritti da equazioni differenziali alle derivate parziali non lineari. Uno degli esempi più famosi si trova nell'idrodinamica. Si tratta di un'onda di marea, un'onda singola osservata per la prima volta dallo scozzese John Scott Russell nel 19° secolo.^H Il corno che segue per diversi chilometri è un'onda che risale controcorrente e che non sembra volersi indebolire.

Modello dei nucleoni

A causa della loro natura stabile, le particelle elementari sono state spesso proposte come solitoni. E inoltre, quasi cinquant'anni fa, prima che scoprissimo la teoria della dinamica quantistica, il grande teorico britannico Tony Skyrmi Ha cercato di comprendere meglio la natura dei nucleoni e la forza nucleare forte. Quindi provò a fare lo stesso gioco che Kelvin fece per spiegare l'esistenza dei nucleoni e le loro proprietà. Sappiamo già che protoni e neutroni sono fermioni con spin semiintero e che si scambiano tipi di fotoni, il famoso bosone di Yukawa con spin intero, il pione.

Allo stesso tempo, Heisenberg cercò anche di comprendere meglio le forze nucleari, ma andò oltre. Considerò un'equazione di campo fondamentale non lineare basata su un campo di fermioni che deve contenere tutta la materia e le particelle di forza conosciute all'epoca. In questa teoria unificata, fotoni e gravitoni, ad esempio, erano visti come insiemi di fermioni. Questi, che hanno momento angolare intrinseco, spin, di valori 1 e 2, possono in realtà essere stati associati ad un numero pari di fermioni di spin ½.

Skyrme ha adottato un approccio più modesto (occupandosi solo di barioni e forze nucleari) ma è molto simile. Considerò anche un'equazione non lineare, ma il suo campo fondamentale è un bosone di spin zero, il pione di Yukawa.

A prima vista, l’idea sembra ridicola. Come ottenere particelle con spin da stati compositi di particelle con spin zero?

È qui che entra in gioco la natura non lineare dell’equazione. Poiché in un fluido, descritto anche da un'equazione non lineare (equazione di Navier-Stokes), si possono formare vortici stabili con momento angolare, possiamo considerare protoni e neutroni come tipi di vortici in un fluido pione. Queste configurazioni, che ricordano quelle dei solitoni, sono oggi chiamate skyrmion.

La scoperta dei quark e la teoria della cromodinamica quantistica (QCD) hanno eclissato il modello dei barioni di Skirmey (che, per ironia della sorte, sarebbe poi emerso come un'approssimazione delle equazioni QCD). Ma dopo alcuni decenni ci siamo resi conto della sua importanza nel campo della fisica della materia condensata.