Dipartimento di Fisica

Il gruppo di rinormalizzazione è una delle tecniche più sofisticate della fisica statistica, e permette di caratterizzare in modo quantitativo il comportamento su larga scala di sistemi interagenti. E' possibile applicare questo approccio, che ha rivoluzionato lo studio della materia condensata, anche ai sistemi viventi?

In un lavoro appena pubblicato sulla rivista Nature Physics, i ricercatori del gruppo Cobbs (Collective Behaviour in Biological Systems) - nato da una collaborazione tra l'Istituto dei Sistemi Complessi del CNR e il Dipartimento di Fisica, Sapienza - mostrano che ciò è possibile: essi usano una teoria di campo per descrivere il comportamento degli sciami di insetti, e con un calcolo diagrammatico col gruppo di rinormalizzazione riescono a predire con precisione sorprendente gli esponenti critici misurati sperimentalmente nei gruppi naturali.

Gli sciami di moscerini sono sistemi solo apparentemente disordinati, in realtà gli insetti al loro interno si comportano in modo altamente coordinato e fortemente correlato. Studi passati del gruppo Cobbs, sia sperimentali che teorici,  hanno mostrato che vi sono tre ingredienti essenziali per descrivere il comportamento osservato: l'attività, ossia la capacità degli individui di controllare la propria motilità; il mutuo allineamento, ossia la tendenza a orientare la propria velocità con quella dei vicini; e l'inerzia comportamentale, che rappresenta invece la resistenza degli insetti a modificare il proprio comportamento. Questi tre ingredienti possono essere incorporati in una teoria di campo, per studiare le proprietà del campo di velocità degli individui. 

La combinazione di attività e inerzia, mai studiata finora, definisce una nuova classe di universalità dinamica e il calcolo con il gruppo di rinormalizzazione fornisce esponenti critici mai ottenuti in precedenza. Le predizioni teoriche danno risultati perfettamente consistenti con le simulazioni numeriche e con i valori sperimentali.  Tali risultati, ispirati dallo studio di sciami di insetti, sono tuttavia `universali': qualsiasi sistema in cui gli individui si allineano, sono attivi e si comportano in modo inerziale condivideranno gli stessi comportamenti collettivi. Il lavoro mostra dunque la potenza del gruppo di rinormalizzazione per la descrizione di comportamenti collettivi non banali, e suggerisce che l'universalità può giocare un ruolo decisivo nei sistemi biologici.

Contatti:
Andrea Cavagna, andrea.cavagna@gmail.com
Mattia Scandolo, mattia.scandolo@uniroma1.it

Autori:
Andrea Cavagna, Luca Di Carlo, Irene Giardina, Tomás S. Grigera, Stefania Melillo, Leonardo Parisi, Giulia Pisegna & Mattia Scandolo

Rivista:
Nature Physics