En physique, le confinement des particules est un phénomène si important que le Clay Mathematics Institute a même promis un prix d'un million de dollars à quiconque pourra donner une explication scientifique convaincante et exhaustive d'un point de vue mathématique. Par exemple, les quarks sont confinés par paires ou par trois par l'interaction forte - la force qui maintient ensemble les noyaux des atomes - constituant les neutrons et les protons. Une étude récente de SISSA ajoute un nouveau chapitre à ce que nous savons sur le confinement. En utilisant une méthode relativement simple, il a été montré comment déterminer si, dans un système à caractéristiques ferromagnétiques, les « particules » émergentes sont soumises au confinement. L'étude a été publiée dans Physique de la nature .

L'interaction forte est l'une des quatre forces fondamentales de la physique, dont le plus intense est celui qui maintient ensemble le noyau d'un atome. "Nous pouvons dire que cette force est la raison pour laquelle nous existons, car sans elle aucun des éléments qui nous composent n'existerait, " plaisante Pasquale Calabrese, Physicien Théoricien à l'Ecole Internationale d'Etudes Avancées (SISSA) de Trieste, qui a coordonné la nouvelle étude. Cette interaction forte fait que les quarks restent « confinés » de sorte qu'il est impossible de les observer isolés dans des conditions normales de la nature. "C'est comme si ces particules fondamentales étaient reliées par des ressorts :plus on les écarte, plus ils essaient de se rapprocher, " dit Calabrese. " En fait, ce phénomène n'existe pas seulement pour les particules élémentaires, comme dans l'exemple des quarks, mais aussi dans les modèles de physique statistique et de matière condensée, qui ont fait l'objet de l'étude que nous avons menée en collaboration avec l'Université de Budapest."

Dans leurs recherches, Calabrese et ses collègues, dont le chercheur SISSA Mario Collura, a formulé une prédiction pour le comportement d'un système ferromagnétique éloigné de son équilibre thermodynamique. "Jusqu'à présent, ces systèmes avaient été étudiés à l'état d'équilibre, mais nous ne savions pas ce qui arriverait si nous nous en éloignions", dit le scientifique.

Le système étudié par Calabrese est une "chaîne de spin" dans un état ferromagnétique. Le "spin" est comme un aimant microscopique et peut être représenté par une flèche. Lorsque les rotations d'un matériau sont alignées (c'est-à-dire, les flèches pointent toutes dans le même sens) le matériau est dans un état ferromagnétique, ou, un aimant macroscopique.

Des taches qui s'étendent, cônes et flacons

"Pour la simplicité, on peut imaginer le système en équilibre comme un grand nombre de flèches pointant toutes dans la même direction. Lorsque cela est perturbé, en appliquant un champ magnétique, par exemple, certaines flèches tourneront. Dans ce cas, nous disons que des « particules » sont créées, " dit Calabrese. " Dans un système normal sans confinement, ces zones aux flèches inversées ont tendance à s'étendre spatialement de façon indéfinie, un peu comme une tache de vin rouge sur une serviette en papier. Le graphique qui montre cette expansion spatiale dans le temps est un cône, techniquement appelé « cône de lumière ». »

Si les particules du système sont confinées, cependant, alors les choses sont différentes. "Réellement, ce que nous appelons particules dans ce cas sont les parois qui délimitent les zones avec des flèches inversées, les bords des "taches". Plus ils se détournent, plus ils sont attirés l'un par l'autre. Cela signifie que la tache ne s'étendra pas comme dans le système normal, mais plutôt, au bout d'un certain temps, commencer à se contracter." Le graphique dans ce cas n'est plus un cône. "Il ressemble plus à un flacon, qui s'élargit d'abord puis se rétrécit à nouveau."

"Si dans le système, qu'elles soient virtuelles ou réelles, le graphique qui représente les 'corrélations' (les flèches dans le même sens) prend la forme d'un flacon plutôt que d'un cône, alors on sait que les particules sont confinées. Cela permet de vérifier facilement la présence de confinement, " dit Calabrese.

L'étude de Calabrese et ses collègues est complètement théorique, ce qui en fait presque une exception pour une revue qui publie normalement des recherches expérimentales ou théoriques/expérimentales. » Cela nous amène à penser que le modèle que nous avons proposé était jugé prometteur pour la recherche dans ce domaine, y compris les études expérimentales. Dans de nombreux cas, il est difficile de détecter le confinement. De cette façon, pour ces matériaux, c'est beaucoup plus simple. Nous travaillons dur pour nous assurer que ce phénomène puisse être observé expérimentalement dans un proche avenir."