NUOVI SISTEMI DI CALCOLO PER LA FISICA

L’evoluzione della scienza ha come conseguenza la necessità di affrontare problemi sempre più complessi che richiedono la manipolazione di un numero crescente di dati ed equazioni. Ne segue un ricorso sempre più massiccio a tecniche numeriche che permettono di risolvere questi problemi con l’utilizzo di calcolatori, la cui potenza spesso costituisce in sé il limite alla complessità dei problemi affrontabili. Quando si parla di ‘scienza computazionale’ ci si riferisce esattamente a questo aspetto.

Nella realtà scientifica trentina vi sono diversi gruppi che si occupano di scienza computazionale a diversi livelli. Recentemente la collaborazione sempre più stretta fra fisici teorici appartenenti al Dipartimento di Fisica, al Centro Materiali e Microsistemi della Fondazione Bruno Kessler (FBK) e all’ ECT* ha portato in modo naturale alla costituzione di un Laboratorio Interdisciplinare di Scienza Computazionale (LISC). Il LISC ospita i tre gruppi in un nuovo spazio situato presso il padiglione nord di FBK a Povo, dove è anche ospitata la nuova facility di supercalcolo “Aurora” nata da un progetto congiunto PAT-INFN, e consente un’interazione ancora più stretta fra i ricercatori che possono in questo modo trarre reciproco vantaggio dalle loro conoscenze e dalla loro esperienza in un processo virtuoso di “cross-fertilization”.

Il nucleo originale di ricercatori si occupa di problematiche di fisica teorica diverse fra loro. Il team è impegnato in ricerche che spaziano dall’esplorazione della nascita dell’Universo fino allo studio dei processi molecolari presenti nelle forme di vita più complesse.
Si parte dallo studio della materia in condizioni estreme (simili a quelle presenti negli istanti subito successivi al Big Bang) per mezzo della Cromodinamica Quantistica su reticolo, che rappresenta l’approccio più moderno alla comprensione delle interazioni fondamentali fra i costituenti della materia, oggetto degli esperimenti svolti nei grandi acceleratori. Importante è anche lo studio delle proprietà dei nuclei e delle interazioni fra i loro componenti, dal punto di vista di un sistema complesso. Questi studi stanno riguadagnando interesse sia per le nuove ricerche sperimentali in corso (in Europa, negli Stati Uniti e in Giappone gli investimenti nella ricerca in fisica nucleare stanno aumentando), sia per le implicazioni sulla comprensione delle proprietà delle stelle nelle loro varie fasi di evoluzione. Le tecniche usate in questo campo sono le più avanzate oggi disponibili sia per lo studio di sistemi a pochi corpi che per lo studio di sistemi più complessi.

I ricercatori del LISC si occupano però anche di aspetti più vicini alla nostra esperienza diretta e che hanno risvolti applicativi interessanti. La maggior parte delle applicazioni computazionali è rivolta allo studio delle proprietà della materia condensata, ovvero solidi e liquidi. Presso il LISC sono impiegate tecniche di risoluzione numerica delle equazioni della meccanica quantistica che permettono di prevedere in dettaglio la distribuzione e il comportamento degli elettroni all’interno di un solido, e di aiutare a ‘leggere’ il risultato di esperimenti volti a caratterizzare materiali da impiegare, ad esempio per costruire pannelli solari più efficienti o innovativi componenti elettronici.

Alcune ricerche condotte al LISC hanno avuto notevoli riconoscimenti scientifici, come la recente copertina sul “Journal of Chemical Physics”. Si tratta di studi sul comportamento delle molecole complesse che stanno alla base dei meccanismi biologici, in particolare sul ripiegamento delle proteine, il processo che ne garantisce la funzionalità, e il cui malfunzionamento può portare all’insorgere di diverse patologie, in particolare di carattere degenerativo. I metodi innovativi impiegati per questi studi hanno origine da tecniche usate per lo studio delle forze fondamentali e da osservazioni generali sulle proprietà delle equazioni della meccanica quantistica: è un cerchio che si chiude, ed è l’esempio più chiaro di quello che il LISC vuole essere, un luogo dove dal confronto scientifico continuo nascono idee nuove.

La missione del LISC è di ampliare ulteriormente la sua base scientifica, rivolgendosi ad altri settori (Ingegneria, Informatica, Economia, Scienze della vita), per estendere lo scambio scientifico, beneficiando delle strutture di calcolo che saranno via via disponibili, e per organizzare attività di formazione di alto livello, attività seminariali ed eventi di comunicazione sulle Scienze computazionali.
Attualmente il LISC è retto da due co-direttori, uno nominato da FBK (Maurizio Dapor) e uno nominato dall’Università di Trento (Francesco Pederiva). Le attuale aree di ricerca sono coordinate da Luigi Scorzato (ECT*, Fisica delle alte energie), Winfried Leidemann (Dipartimento di Fisica, Fisica nucleare), Simone Taioli (FBK, Materia condensata) e Pietro Faccioli (Dipartimento di Fisica, Biofisica e Meccanica statistica).