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Lattice Field Theory

Lattice Field Theory

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Settore ERC

PE2_1 - Theory of fundamental interactions
PE2_2 - Phenomenology of fundamental interactions
PE2_6 - Nuclear, hadron and heavy ion physics
PE3_15 - Statistical physics: phase transitions, condensed matter systems, models of complex systems, interdisciplinary applications

Attività

Gli obiettivi della nostra ricerca sono incentrati sulla comprensione delle proprietà delle teorie fortemente accoppiate (che eludono una trattazione analitica attraverso soluzioni esatte o per mezzo di approssimazioni perturbative) rilevanti per la fisica delle particelle elementari e per i sistemi di meccanica statistica. Questi includono, in particolare, la cromodinamica quantistica (QCD), che è la teoria che descrive l'interazione nucleare forte che lega insieme quark e gluoni all'interno dei nuclei atomici, e una classe di teorie invarianti rispetto a trasformazioni di scala, che sono rilevanti per vari tipi di materiali nella teoria della materia condensata.

Attualmente, i principali temi di ricerca del nostro gruppo sono i seguenti.
  • Il fenomeno del confinamento del colore nella QCD e la sua descrizione in termini di una stringa effettiva, che modella il tubo di flusso fluttuante tra le cariche di colore.
  • Le proprietà della QCD ad alte temperature (dell'ordine di migliaia di miliardi di gradi), alle quali gli adroni ordinari si "fondono" in un fluido di particelle deconfinate: il plasma di quark e gluoni. Tale stato della materia esisteva in natura nelle prime frazioni di secondo dopo il Big Bang, e viene riprodotto in esperimenti di collisioni di ioni pesanti al Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) di Brookhaven (USA) e al Large Hadron Collider (LHC) a Ginevra (Svizzera).
  • Lo studio delle teorie di campo conformi attraverso l'approccio di bootstrap, che combina le implicazioni dell'invarianza conforme, della simmetria di crossing e dell'unitarietà per derivare risultati non banali per queste teorie.
  • Lo studio delle funzioni spettrali che codificano l'informazione sugli stati fisici legati in teorie di gauge fortemente interagenti. Le loro applicazioni sono moltelplici e includono, in particolare, la determinazione di rates inclusivi per i decadimenti di mesoni pesanti, lo spettro delle sfuggenti glueballs e la caratterizzazione di teorie che potrebbero essere validi candidati per nuova fisica oltre il Modello Standard.
  • Lo studio dell'entanglement quantistico e di altre proprietà caratterizzanti dei sistemi quantistici, con potenziali applicazioni nel contesto dell'informatica quantistica e della teoria dell'informazione quantistica.

I principali metodi che utilizziamo nei nostri studi delle teorie di campo quantistiche relativistiche fortemente accoppiate si basano sulla regolarizzazione su un reticolo spaziotemporale: questo approccio, introdotto per la prima volta dal premio Nobel Kenneth G. Wilson un articolo seminale, fornisce un metodo matematicamente rigoroso per dare una definizione non perturbativa di queste teorie, permettendo di studiarle mediante tecniche di meccanica statistica. Tra queste, in particolare, i calcoli numerici Monte Carlo numerici su calcolatori ad alte prestazioni: oltre alle risorse computazionali locali, il nostro gruppo ha accesso alle macchine del consorzio CINECA, che è una delle strutture di supercalcolo su larga scala in Europa e un host di livello 0 di PRACE. Un altro approccio numerico che utilizziamo nei nostri studi delle teorie quantistiche dei campi regolarizzate sul reticolo è quello basato su tecniche di machine learning. Oltre alle tecniche numeriche, utilizziamo anche metodi analitici quali la operator-product exapansion, sviluppi intorno al cosiddetto "limite di grande N", sviluppi ad accoppiamento forte, e dualità esatte tra diverse teorie fisiche.

Facciamo parte della collaborazione internazionale Simons Confinement Collaboration. Inoltre, nel corso degli anni abbiamo pubblicato lavori con collaboratori internazionali di molti gruppi in tutta Europa (in particolare in Germania, Regno Unito e Finlandia) e in tutto il mondo.

Teoria di campo su reticolo, QCD su reticolo, meccanica statistica, teoria di campo conforme.


The goals of our research are centered on understanding the properties of strongly coupled theories (which defy an analytical treatment by exact solutions or by means of perturbative approximations) that are relevant for elementary-particle physics and for statistical-mechanics systems. These include, in particular, quantum chromodynamics (QCD), which is the theory describing the strong nuclear interaction binding together quarks and gluons inside the atomic nuclei, and a class of theories invariant under scale transformations, which are relevant for various types of materials in condensed-matter theory.

Currently, the main research topics of our group include the following.

  • The phenomenon of color confinement in QCD and its description in terms of an effective string, which models the fluctuating flux tube between color charges.
  • The properties of QCD at high temperatures (of the order of thousands of billions of degrees), when ordinary hadrons "melt" into a fluid of deconfined particles: the quark-gluon plasma. Such state of matter existed in nature in the first few fractions of a second after the Big Bang, and is reproduced in heavy-ion collision experiments at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) in Brookhaven (US) and at the Large Hadron Collider (LHC) in Geneva (Switzerland).
  • The study of conformal field theories through the bootstrap approach, which combines the implications of conformal invariance, crossing symmetry and unitarity, to derive non-trivial results for these theories.
  • The study of spectral functions encoding information about the physical bound states in strongly interacting gauge theories. Their applications are diverse, and include, in particular, the determination of inclusive rates for decays of heavy mesons, the spectrum of elusive glueballs, and the characterization of theories that may be viable for new physics beyond the Standard Model.
  • The study of quantum entanglement and other characterizing features of quantum systems, with potential applications in the the context of quantum computing and quantum information theory.

The main methods that we use in our studies of strongly coupled relativistic quantum field theories are based on the regularization on a spacetime lattice: this approach, that was pioneered by Nobel Prize laureate Kenneth G. Wilson in a seminal article, provides a mathematically well-defined, non-perturbative definition of these theories, allowing one to study them by means of statistical mechanics techniques. These include, in particular, numerical Monte Carlo calculations on high-performance computing machines: in addition to local computational resources, our group has access to the machines of the CINECA consortium, which is one of the large-scale supercomputing facilities in Europe and a PRACE tier-0 host. Another numerical approach that we use in our studies of quantum field theories regularized on the lattice is the one based on machine-learning techniques. Beside the numerical techniques, we also use analytical methods such as operator-product expansions, expansions around the so-called "large-N limit", strong-coupling expansions, exact dualities between different physical theories.

We are part of the international Simons Confinement Collaboration. In addition, over the years we have published works with international collaborators from many groups across Europe (particularly in Germany, the United Kingdom, and Finland) and worldwide.

Lattice field theory, lattice QCD, statistical mechanics, conformal field theory

Prodotti della ricerca

Una selezione di recenti pubblicazioni:

A selection of recent publications:

 

    Tag: lattice field theory, lattice QCD, statistical mechanics

    Ultimo aggiornamento: 03/11/2023 13:11
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