Un nuovo metodo di calcolo sviluppato in Germania potrebbe cambiare radicalmente il modo in cui vengono analizzati gli esperimenti condotti con il laser a raggi X più potente al mondo, lo European XFEL. La tecnica, secondo i ricercatori, è in grado di rendere le simulazioni fino a 50 volte più veloci, mantenendo intatta la precisione dei risultati e aprendo nuove possibilità nello studio della materia in condizioni estreme.
Una svolta per lo European XFEL
Il metodo è stato sviluppato dai ricercatori del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) e si applica alle simulazioni utilizzate per interpretare i dati ottenuti allo European XFEL, nei pressi di Amburgo.
La struttura utilizza lo scattering di raggi X per studiare la materia in condizioni estreme, simili a quelle presenti all’interno di stelle e pianeti giganti. Attraverso impulsi laser ad altissima intensità, i ricercatori riescono a generare in laboratorio stati di materia difficili da osservare altrove.
Per interpretare questi esperimenti, però, sono necessarie simulazioni numeriche estremamente complesse, che richiedono enormi risorse di calcolo e tempi molto lunghi, soprattutto quando si lavora su più combinazioni di parametri fisici.
Il problema delle simulazioni tradizionali
L’analisi dei dati raccolti tramite scattering a raggi X si basa su modelli che devono riprodurre con precisione il comportamento della materia in condizioni di temperatura e pressione estreme.
Come spiegato da Tobias Dornheim, responsabile del dipartimento di alta densità energetica all’HZDR, il processo richiede un confronto continuo tra simulazioni e dati sperimentali: “Simuliamo il sistema con diversi parametri e cerchiamo la combinazione che corrisponde all’osservazione”.
Il problema principale è la mole di calcoli necessari. A temperature elevate entrano in gioco numerosi stati quantistici, mentre si aggiungono anche distorsioni numeriche che possono compromettere l’interpretazione dei risultati. Questo obbliga i ricercatori a eseguire ampie scansioni di parametri, con un costo computazionale molto elevato.
“Non abbiamo risorse di calcolo illimitate”, ha sottolineato Dornheim, evidenziando il limite strutturale dei metodi attuali.
Il nuovo metodo sviluppato dall’HZDR
Per superare questi limiti, il team ha sviluppato una tecnica che distingue tra segnali fisici reali e rumore numerico all’interno delle simulazioni.
Il metodo si basa su una trasformazione matematica in tempo immaginario, un concetto della meccanica quantistica strettamente legato alla temperatura del sistema. Questo consente di isolare le informazioni realmente significative nei dati simulati.
Zhandos Moldabekov, autore dell’idea, ha spiegato che il metodo “preserva la struttura fisica del segnale”. La tecnica integra anche un test di convergenza affidabile e un filtro capace di eliminare le distorsioni artificiali senza alterare le informazioni utili.
Nei test effettuati dal gruppo, le simulazioni hanno mostrato un’accelerazione fino a 50 volte rispetto ai metodi tradizionali, senza perdita significativa di precisione nei risultati fisici.
Impatti su fusione e astrofisica di laboratorio
Secondo i ricercatori, il nuovo approccio potrebbe avere un impatto diretto sulla ricerca sulla fusione nucleare, uno degli obiettivi principali degli esperimenti condotti con laser ad alta energia.
Dornheim ha evidenziato che comprendere il comportamento della materia in condizioni estreme è essenziale per lo sviluppo di future centrali a fusione: “Se vogliamo una centrale a fusione, dobbiamo capire cosa accade davvero in questi stati della materia”.
Il metodo potrebbe inoltre accelerare la ricerca in astrofisica di laboratorio, permettendo di riprodurre e analizzare condizioni simili a quelle presenti all’interno dei pianeti. Tra le applicazioni possibili rientrano anche calcoli più rapidi e accurati di proprietà dei materiali come conducibilità elettrica e assorbimento della radiazione.
Verso un nuovo standard per l’analisi dei dati
L’obiettivo dei ricercatori è trasformare questo approccio in uno strumento standard per l’interpretazione dei moderni esperimenti a raggi X.
Moldabekov ha sottolineato come il metodo possa diventare centrale nello studio della materia estrema: “In futuro potrebbe avere un ruolo fondamentale nell’esplorazione di questi stati”.
Se adottato su larga scala, il sistema potrebbe consentire non solo simulazioni più veloci, ma anche una maggiore quantità di analisi, migliorando la precisione complessiva degli esperimenti condotti allo European XFEL e nei consorzi di ricerca collegati come HIBEF.
Fonte: Interesting Engineering
