* MINISTERO DELL'ISTRUZIONE, DELL'UNIVERSITÀ E DELLA RICERCA DIPARTIMENTO PER L'UNIVERSITÀ, L'ALTA FORMAZIONE ARTISTICA, MUSICALE E COREUTICA E PER LA RICERCA SCIENTIFICA E TECNOLOGICA PROGRAMMI DI RICERCA SCIENTIFICA DI RILEVANTE INTERESSE NAZIONALE RICHIESTA DI COFINANZIAMENTO (DM n. 287 del 23 febbraio 2005) PROGETTO DI UNA UNITÀ DI RICERCA - MODELLO B Anno 2005 - prot. 2005022072_001 * PARTE I 1.1 Programma di Ricerca afferente a 1. *Area Scientifico Disciplinare*/ / 02: Scienze fisiche 100% ------------------------------------------------------------------------ 1.2 Durata del Programma di Ricerca 24 Mesi ------------------------------------------------------------------------ 1.3 Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca *PARISI* *GIORGIO* *Giorgio.Parisi@roma1.infn.it* *FIS/02 - Fisica teorica, modelli e metodi matematici* *Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"* *Facoltà di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI * *Dipartimento di FISICA * ------------------------------------------------------------------------ 1.4 Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca *PARISI* *GIORGIO* *Professore Ordinario* *04/08/1948* *PRSGRG48M04H501M* *FIS/02 - Fisica teorica, modelli e metodi matematici* *Università degli Studi di ROMA "La Sapienza"* *Facoltà di SCIENZE MATEMATICHE FISICHE e NATURALI * *Dipartimento di FISICA * *06/49913481* (Prefisso e telefono) *06/4463158* (Numero fax) *Giorgio.Parisi@roma1.infn.it* (Indirizzo posta elettronica) ------------------------------------------------------------------------ 1.5 Curriculum scientifico del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* Giorgio Parisi e` nato a Roma il 4 agosto 1948, ed ha compiuto gli studi universitari a Roma, laureandosi in fisica nel 1970, sotto la direzione di Nicola Cabibbo. Ha svolto la sua attivita` di ricerca presso i Laboratori nazionali di Frascati, prima come borsista del Consiglio Nazionale delle Ricerche (1971-1973) e successivamente come ricercatore dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare(1973-1981). In questo periodo ha effettuato lunghi soggiorni all'estero: Columbia University, New York (1973-1974), Institut des Hautes Etudes Scientifiques, Bures-sur-Yvettes (1976-1977), Ecole Normale Superieure, Paris (1977-1978). E' (o e' stato) membro dei comitati di redazione di numerose riviste (Nuclear Physics Field Theory and Statistical Mechanics,Communications in Mathematical Physics, Journal of Statistical Mechanics, Europhysics Letters, International Journal of Physics, Il Nuovo Cimento, Journal de Physique), dei consigli scientifici dell'Institut des Hautes Etudes Scientifiques, dell'Ecole Normale Superieure (per quanto riguarda la Fisica), della Scuola Normale di Pisa (classe di scienze), della SISSA di Trieste, dell'Human Frontiers Science Program Organization, dei comitati consultivi del CUN, della Scuola di Fisica di Les Houches e dell'INFM. Chiamato quale professore di ruolo nell'universita' di Roma nel febbraio 1981, e' stato dal 1981 al 1992 Professore di Istituzioni di Fisica Teorica presso l'Università di Roma II, Tor Vergata. Attualmente (dal 1992) e' professore di Teorie quantistiche presso l'Università di Roma "La Sapienza". Dal 1987 e' socio corrispondente e dal 1993 socio nazionale dell'Accademia dei Lincei; dal 1992 e'socio straniero della Accademia Francese. Nel 1992 ha ricevuto la medaglia Boltzmann (assegnata ogni tre anni dalla I.U.P.A.P. per la termodinamica e la meccanica statistica) per i suoi contributi alla teoria dei sistemi disordinati. Nel 1999 ha ricevuto la medaglia Dirac per la fisica teorica. Nel 2004 ha ricevuto il premio Heidman dell'American Institute for Physics. *Testo inglese* He graduated from Rome University in 1970, the supervisor being Nicola Cabibbo. He has worked as researcher at the Laboratori Nazionali di Frascati from 1971 to 1981. In this period he has been in leave of absence from Frascati at the Columbia University, New York (1973-1974), at the Institut des Hautes Etudes Scientifiques (1976-1977) and at the Ecole Normale Superieure, Paris (1977-1978). He became full professor at Rome University in 1981, from 1981 he was to 1992 full professor of Theoretical Physics at the University of Roma II, Tor Vergata and he is now professor of Quantum Theories at the University of Rome I, La Sapienza. He received the Feltrinelli prize for physics from the Accademia dei Lincei in 1986, the Boltzmann medal in 1992, the Italgas prize in 1993, the Dirac medal and prize in 1999. In 1987 he became correspondent fellow of the Accademia dei Lincei and fellow in 1992; he is also fellow of the French Academy from 1993. In 2004 he has received the Heidman Prize from the American Institute for Physics (for Mathematical Physics). He gave in 1986 the Loeb Lectures at Harvard University, in 1987 the Fermi lectures at the Scuola Normale (Pisa) in 1993 the Celsius lectures at Upsala University. He is (or he has been) member of the editorial board of many reviews (Nuclear Physics Field Theory and Statistical Mechanics, Communications in Mathematical Physics, Journal of Statistical Mechanics, Europhysics Letters, International Journal of Physics, Il Nuovo Cimento, Networks, Journal de Physique, Physica A, Physical Review E) and of the scientific committees of the Institut des Hautes Etudes Scientifiques, of the Ecole Normale Superieure (Physique), of the Scuola Normale (Pisa), of the Human Frontiers Science Program rganization, of the scientific committee of the INFM and of the French National Research Panel and head of the Italian delegation at the IUPAP. ------------------------------------------------------------------------ 1.6 Pubblicazioni scientifiche più significative del Responsabile Scientifico dell'Unità di Ricerca 1. CAVAGNA A., GIARDINA I., PARISI G. (2005). Cavity method for supersymmetry breaking spin glasses. /PHYSICAL REVIEW. B, CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS. / vol. 71 pp. 024422 ISSN: 1098-0121 preprint cond-mat/0407440. 2. ANNIBALE A., CAVAGNA A., GIARDINA I., PARISI G. (2004). Supersymmetric quenched compexity in the Sherrington-Kirkpatrik model. /PHYSICAL REVIEW E, STATISTICAL, NONLINEAR, AND SOFT MATTER PHYSICS. / vol. 68 pp. 061103 ISSN: 1539-3755 3. CAVAGNA A., GIARDINA I., PARISI G. (2004). numerical study of metastable states in Ising spin glasses. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 92 pp. 120603 ISSN: 0031-9007 4. CRISANTI A., LEUZZI L., PARISI G., RIZZO T. (2004). quenched computation of the complexity of the Sherrington-Kirkpatrick Model. /PHYSICAL REVIEW. B, CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS. / vol. 70 pp. 064423 ISSN: 1098-0121 5. CRISANTI A., LEUZZI L., PARISI G., RIZZO T. (2004). on spin-glass complexity. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 92 pp. 127203 ISSN: 0031-9007 6. GRIGERA T. S., MARTIN-MAYOR V., PARISI G., VERROCCHIO P. (2004). asymptotic aging in structural glasses. /PHYSICAL REVIEW. B, CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS. / vol. 70 pp. 014202 ISSN: 1098-0121 7. KRZAKALA F., PARISI G. (2004). local excitations in mean field spin glasses. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 66 pp. 729-735 ISSN: 0295-5075 8. MONTANARI A., PARISI G., RICCI-TERSENGHI F. (2004). instability of one-step replica-symmetry-broken phase in satisfiability problems. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 37 pp. 2073 ISSN: 0305-4470 9. PARISI G., PICCO M., SOURLAS N. (2004). scale invariance and self-averaging in disordered systems. /EUROPHYSICS LETTERS. / vol. 66 pp. 465 ISSN: 0295-5075 10. PARISI G., RUOCCO G., ZAMPONI F. (2004). Fragility in p-spin models. /PHYSICAL REVIEW E, STATISTICAL, NONLINEAR, AND SOFT MATTER PHYSICS. / vol. 69 pp. 061505 ISSN: 1539-3755 11. A. PAGNANI, PARISI G., M. RATIEVILLE (2003). Near optimal configurations in mean field disordered systems. /PHYSICAL REVIEW E. / vol. 68 pp. 046706 ISSN: 1063-651X cond-mat/0307250. 12. A. PAGNANI, PARISI G., M. RATIEVILLE (2003). Metastable configurations on the Bethe lattice. /PHYSICAL REVIEW E. / vol. 67 pp. 26116 ISSN: 1063-651X cond-mat/0210305. 13. ANNIBALE A., CAVAGNA A., GIARDINA I., PARISI G., TREVIGNE E. (2003). the role of the Becchi-Rouet-Stora-Tyutin supersymmetry in the calculation of the complexity for the Sherrington-Kirkpatrick model. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 36 pp. 10937 ISSN: 0305-4470 14. CAVAGNA A., GIARDINA I., MEZARD M., PARISI G. (2003). on the formal equivalence of the TAP and thermodynamic methods in the SK model. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 36 pp. 1175 ISSN: 0305-4470 15. CRISANTI A., LEUZZI L., PARISI G., RIZZO T. (2003). complexity of the sherrington-kirkpatrick model in the annealed approximation. /PHYSICAL REVIEW. B, CONDENSED MATTER AND MATERIALS PHYSICS. / vol. 68 pp. 174401 ISSN: 1098-0121 16. GRIGERA T.S., MARTIN-MAYOR V., PARISI G., VERROCCHIO P. (2003). phonons in supercooled liquids: a possible explanation for the Boson Peak. /NATURE. / vol. 422 pp. 289-292 ISSN: 0028-0836 17. JIMENEZ S., MARTIN-MAYOR V., PARISI G., TARANCON A. (2003). aging in spin glasses in three, four and infinite dimensions. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 36 pp. 10755-10771 ISSN: 0305-4470 18. M. MEZARD, PARISI G. (2003). The cavity method at zero temperature. /JOURNAL OF STATISTICAL PHYSICS. / vol. 111 pp. 1 ISSN: 0022-4715 cond-mat/0207121. 19. PAGNANI A., PARISI G., RATIEVILLE M. (2003). Near optimal configurations in mean-field disordered systems. /PHYSICAL REVIEW E, STATISTICAL, NONLINEAR, AND SOFT MATTER PHYSICS. / vol. 68 pp. 046706 ISSN: 1539-3755 20. PAGNANI A., PARISI G., RATIEVILLE M. (2003). Metastable configurations on the Bethe lattice. /PHYSICAL REVIEW E, STATISTICAL, NONLINEAR, AND SOFT MATTER PHYSICS. / vol. 67 pp. 026116 ISSN: 1539-3755 21. CAVAGNA A., GIARDINA I., GRIGERA T., PARISI G. (2002). Geometric Approach to the Dynamic Phase Transition. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 88 pp. 055502-055504 ISSN: 0031-9007 22. BINDER K.INSTITUTE OF PHYSICS, MAINZ, GERMANY, KOB W.LABORATOIRE DES VERRES, MONPELLIER, FRANCE, PARISI G., ROME, ITALY, SCHEIDLER P.INSTITUTE OF PHYSICS, MAINZ, GERMANY (2002). Growing length scales in a supercooled liquid close to an interface. /PHILOSOPHICAL MAGAZINE. B. PHYSICS OF CONDENSED MATTER. STATISTICAL MECHANICS, ELECTRONIC, OPTICAL AND MAGNETIC PROPERTIES. / vol. 82 pp. 283 ISSN: 1364-2812 23. ANGELANI L., DI LEONARDO R., PARISI G., RUOCCO G. (2001). Topological Description of the Aging Dynamics in Simple Glasses. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 87 pp. 085502-085505 ISSN: 0031-9007 preprint cond-mat/0011519. 24. ARENZON J.J., PARISI G., RICCI-TERSENGHI F., STARIOLO D.A. (2001). Reply to comment on "Two times scales and violation of the Fluctuation-dissipation Theorem in a finite dimensional model for structural glasses". /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 86 pp. 4717 ISSN: 0031-9007 25. CAVAGNA A., GIARDINA I., PARISI G. (2001). Role of saddles in mean-field dynamics above the glass transition. /JOURNAL OF PHYSICS A-MATHEMATICAL AND GENERAL. / vol. 34 pp. 5317 ISSN: 0305-4470 26. GRIGERA T. ., MARTIN-MAYOR M., PARISI G., VERROCCHIO P. (2001). vibrational spectrum of topologically disordered systems. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 87 pp. 085502 ISSN: 0031-9007 27. GRIGERA T., MARTIN-MAYOR V., PARISI G., VERROCCHIO P. (2001). Vibrational Spectrum of Topologically Disordered Systems. /PHYSICAL REVIEW LETTERS. / vol. 87 pp. 085502-085505 ISSN: 0031-9007 28. GRIGERA T.S., PARISI G. (2001). Fast Monte Carlo algorithm for supercooled soft spheres. /PHYSICAL REVIEW E, STATISTICAL, NONLINEAR, AND SOFT MATTER PHYSICS. / vol. 63 pp. 045102 ISSN: 1539-3755 29. LEUZZI L., PARISI G. (2001). The K-sat problem in a simple limit. /JOURNAL OF STATISTICAL PHYSICS. / vol. 103 pp. 679-69 ISSN: 0022-4715 cond-mat/0007364. 30. MARTIN-MAYOR V., MEZARD M., PARISI G., VERROCCHIO P. (2001). The dynamical structure factor in topologically disordered systems. /JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS. / vol. 114 pp. 8068 ISSN: 0021-9606 ------------------------------------------------------------------------ 1.7 Risorse umane impegnabili nel Programma dell'Unità di Ricerca 1.7.1 Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca ** *Personale docente* nº Cognome Nome Dipartimento Qualifica Settore Disc. Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. PARISI Giorgio Dip. FISICA Prof. Ordinario FIS/02 6 6 2. MARINARI Vincenzo Dip. FISICA Prof. Ordinario FIS/02 5 5 3. RICCI TERSENGHI Federico Dip. FISICA Ricercatore Universitario FIS/02 9 9 4. PELISSETTO Andrea Dip. FISICA Prof. Associato FIS/02 11 11 * * *TOTALE * * * * * * * * * *31 * *31 * *Altro personale* Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.2 Personale universitario di altre Università ** *Personale docente* Nessuno *Altro personale* Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.3 Titolari di assegni di ricerca Nessuno ------------------------------------------------------------------------ 1.7.4 Titolari di borse nº Cognome Nome Dipartimento Anno di inizio borsa Durata (in anni) Tipologia Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. Lukic Jovanka Dip. FISICA 2002 3 Dottorato 10 2. Altarelli Fabrizio Dip. FISICA 2004 3 Dottorato 11 11 3. Castellani Tommaso Dip. FISICA 2003 3 Dottorato 11 10 4. Jimenez Sergio Dip. FISICA 2004 2 Post-doc 11 8 5. Joerg Thomas Dip. FISICA 2004 2 Post-doc 11 3 6. Maiorano Andrea Dip. FISICA 2004 2 Post-doc 11 8 7. Procaccini Andrea Dip. FISICA 2003 3 Dottorato 11 8 8. Semerjian Guillhem Dip. FISICA 2004 2 Post-doc 11 8 9. Van Kerrebroeck Valery Dip. FISICA 2004 3 Dottorato 11 11 * * *TOTALE * * * * * * * * * * * *98 * *67 * ------------------------------------------------------------------------ 1.7.5 Personale a contratto da destinare a questo specifico programma nº Qualifica Costo previsto Mesi Uomo Note 1° anno 2° anno 1. Dottorando 45.000 11 11 tre anni 2. Borsista 48.000 11 11 3. Altre tipologie 7.000 2 2 inviti brevi periodi * * *TOTALE * *100.000 * *24 * *24 * * * ------------------------------------------------------------------------ 1.7.6 Personale extrauniversitario indipendente o dipendente da altri Enti nº Cognome Nome Nome dell'ente Qualifica Mesi Uomo 1° anno 2° anno 1. Cavagna Andrea CNR-INFM ricercatore 6 6 2. Giardina Irene CNR-INFM ricercatrice 6 6 3. De Martino Andrea CNR-INFM ricercatore 6 6 * * *TOTALE * * * * * * * *18 * *18 * PARTE II 2.1 Titolo specifico del programma svolto dall'Unità di Ricerca *Testo italiano* Fisica dei Sistemi Complessi e Disordinati: dai Sistemi Vetrosi ai Modelli a Molti Agenti. *Testo inglese* Physics of Complex and Disordered Systems: from Glassy Systems to Multi-Agents Models. ------------------------------------------------------------------------ 2.2 Settori scientifico-disciplinari interessati dal Programma di Ricerca FIS/02 - Fisica teorica, modelli e metodi matematici ------------------------------------------------------------------------ 2.3 Parole chiave *Testo italiano* COMPLESSITA' ; DISORDINE ; MECCANICA STATISTICA ; VETRI DI SPIN ; OTTIMIZZAZIONE ; STATO AMORFO ; SIMULAZIONI NUMERICHE ; TEORIA DEI CAMPI ; VETRI *Testo inglese* COMPLEXITY ; DISORDER ; STATISTICAL MECHANICS ; SPIN GLASSES ; OPTIMIZATION ; AMORPHOUS STATE ; NUMERICAL SIMULATIONS ; FIELD THEORY ; GLASSES ------------------------------------------------------------------------ 2.4 Base di partenza scientifica nazionale o internazionale *Testo italiano* Lo studio delle proprieta` dei sistemi disordinati e/o frustrati nella fase di vetro di spin continua ad attrarre un grande interesse da parte della comunita` scientifica. Analizzeremo qui i vari campi principali, sia per quel che riguarda le applicazioni fisiche di eccellenza che per quel che riguarda un uso paradigmatico di questi metodi. Il forte rapporto fra metodi di meccanica statistica dei sistemi disordinati e teoria dei campi, fra approcci analitici e numerici, ed il rapporto con l'uso intenso di computers anche specializzati ai nostri scopi e' una caratteristica determinante del programma di ricerca di questo PRIN. ** Descrizione della dinamica fuori dall'equilibrio in sistemi vetrosi. ** Un sistema vetroso e` un generico insieme di un gran numero di variabili che interagendo tra di loro tendono a rilassare verso uno stato di bassa energia, ma attraverso una dinamica che presenta un'ampia gamma di tempi di rilassamento (dai picosecondi alle migliaia di anni). La descrizione anche approssimata di una tale dinamica e` particolarmente complicata. Inoltre in molti sistemi vetrosi (i cosidetti vetri veri) la lentezza della dinamica di rilassamento e` dovuta alla frustrazione auto-generata dal sistema durante il rilassamento e che quindi si modifica sulle stesse scale di tempo di rilassamento del sistema. In questo studio stiamo utilizzando, in collaborazione con varie Universita' spagnole, calcolatori specializzati, ed intendiamo proseguire (soprattutto in collaborazione con il gruppo di Ferrara) in questa direzione. ** Ricerca delle soluzioni ottimali per un generico problema combinatorio duro. ** Un problema combinatorio consiste nell'assegnazione dei valori ad un grande numero di variabili, tale che tutti o il maggior numero dei vincoli siano soddisfatti. Inutile dire che la soluzione di problemi cosi` generali avrebbe un'applicazione vastissima. Quando problemi di questo tipo vengono affrontati con le tecniche della meccanica statistica, si scopre che essi corrispondono a modelli frustrati (altrimenti il problema sarebbe di facile soluzione) e che la dinamica seguita da un tipico algoritmo di ricerca delle soluzioni e` una dinamica vetrosa. Quindi lo studio della questione di cui al punto 1 ha come immediata ricaduta la comprensione degli attuali algoritmi di ricerca di soluzioni per problemi duri. ** Descrizione delle proprieta` termodinamiche di un vetro di spin in dimensioni finite. Riproduzione e comprensione degli effetti di ringiovanimento e memoria. ** Nonostante i quasi 30 anni di studi numerici e analitici, non e` ancora chiaro il tipo di rottura di simmetria che avviene nella fase di bassa temperatura dei vetri di spin in 3 dimensioni spaziali. Recentemente nuovi metodi di indagine numerica sono stati applicati allo studio di questo problema: ad esempio, il calcolo dei ground states (che non soffre dei problemi dovuti alla vicinanza dal punto critico) e la misura del rapporto di fluttuazione-dissipazione con una procedura che elimina gli effetti di non-linearita` nel campo usato per la misura. Inoltre tra gli effetti misurati sperimentalmente nei vetri di spin quelli cosidetti di "ringiovanimento e memoria" rimangono ancora in gran parte incompresi. Una delle forme migliori per poterli indagare sarebbe la loro riproduzione a livello di simulazione numerica, ma al momento attuale nessuno studio numerico e` riuscito in questo scopo. ** Vetri strutturali e transizione vetrosa. ** Negli ultimi anni abbiamo sviluppato una teoria per la transizione dinamica nei vetri strutturali. L'idea cruciale e' che il rallentamento che avviene nei vetri alla temperatura Tc, e' la manifestazione di una transizione topologica nello spazio delle fasi: sulla superficie di energia potenziale del sistema esiste un livello critico Ec che divide il regime dominato dai minimi. La transizione fra selle e minimi causa l'insorgere di una dinamica attivata, e quindi il rallentamento strutturale nei vetri. Piu' recentemente abbiamo dato una descrizione formale della dinamica fra selle a temperature maggiori di Tc, ritrovando teoricamente alcuni aspetti fondamentali della fenomenologia vetrosa. ** Limite di metastabilita' nei liquidi sottoraffreddati. ** Nella fase metastabile, sotto la sua temperatura di fusione, la viscosita' di un liquido aumenta enormemente al diminuire di T, fino a che alla transizione vetrosa il tempo di rilassamento supera il tempo sperimentale e il sistema va fuori dall'equilibrio. Una domanda fondamentale e' cosa accadrebbe al liquido metastabile se venisse equilibrato a temperature sempre piu' basse. Un'ipotesi e' che vi sia una transizione termodinamica alla temperatura Tk dove l'entropia del liquido diventa uguale a quella del cristallo. Affinche' cio' avvenga e' necessario pero' che il liquido non perda stabilita' a favore del cristallo, nel qual caso si ha un limite di metastabilita' e Tk non esiste. ** Supersimmetria e complessita' nei vetri di spin. ** L'entropia degli stati metastabili, ovvero la complessita', e' una quantita' fondamentale per comprendere la dinamica dei vetri di spin. Il nostro gruppo ha scoperto che nel calcolo analitico della complessita' e' presente una supersimmetria (SUSY), che puo' essere conservata o rotta a seconda della differente classe dinamica del sistema. ** Sistemi a molti agenti ** Negli ultimi anni, e' stato possibile chiarire diversi aspetti del comportamento critico di sistemi di agenti interagenti grazie all'uso sistematico di tecniche sviluppate nell'ambito della teoria dei vetri di spin. In particolare, si e' stabilita una robusta connessione fra le leggi che governano il comportamento dei singoli agenti e le proprieta' macroscopiche dei sistemi, come l'efficienza, le fluttuazioni e la predicibilita', e si sono individuate strutture di fasi per tali sistemi in completa analogia con quelle dei sistemi magnetici. Esistono due ordini di problemi in cui i metodi fisici promettono di essere risolutivi. Il primo riguarda l'origine dei regimi dinamici che caratterizzano sistemi come i mercati finanziari, che presentano intermittenza e clustering; il secondo e' invece l'ottimizzazione di tali sistemi, ovvero la possibilita' di guidare dinamicamente gli agenti in stati collettivamente efficienti, per esempio modulando la struttura dell'informazione a loro disposizione. Quest'ultimo problema e' di fondamentale rilevanza pratica, specialmente per il traffico, le reti informatiche, e in generale per i sistemi soggetti al fenomeno della congestione. ** Movimenti collettivi in sistemi complessi ** I sistemi composti da un gran numero di componenti eterogenee e interagenti spesso manifestano un comportamento collettivo complesso che non puo' essere dedotto in maniera semplice studiando le proprieta' della singola unita'. Tale problema e' ben noto nell'ambito della fisica dei sistemi condensati, in cui fenomeni tipicamente collettivi come le transizioni di fase sono stati oggetto di intensi studi sperimentali e teorici. Vi sono pero' numerosi esempi di comportamento complesso anche in altri ambiti, dalla biologia (movimenti coordinati di batteri, insetti, pesci, uccelli, etc.) alla sociologia e l'economia (fenomeni di panico, traffico, mercati, aste etc.). Un problema importante e' dunque cercare di descrivere le proprieta' generali di tale comportamento, comprenderne i meccanismi fondamentali e rintracciarne le origini microscopiche. In alcuni casi, il sistema manifesta il proprio comportamento collettivo non banale assumendo diverse forme in uno spazio bi o tri-dimensionale, ed e' possibile osservare direttamente la formazione e l'evoluzione di strutture complesse. ** Uso di Metodi di Ottimizzazione per il Calcolo Esatto di Funzioni di Partizione ** La connessione fra i nostri problemi e le tecniche di ottimizzazione consente di risolvere questioni complesse come il calcolo della funzione di partizione di vetri di spin 2d su sistemi di grandi taglia (anche 100*100). Siamo riusciti, grazie a queste tecniche, a determinare il comportamento del calore specifico, per T che tende a zero, di questi sistemi. Abbiamo studiato modelli completamenti frustrati e modelli contenenti una certa diluzione di non-frustrazione collocata in modo aleatorio sul reticolo. ** Studio di Sistemi Biofisici. Unzipping del DNA ** Abbiamo mostrato che le dinamiche di unzipping hanno caratteristiche tipiche di dinamiche lente o vetrose. Stiamo applicando metodi di ottimizzazione per cercare di ricavare informazioni strutturali a partire da una dinamica di unzipping lenta. ** Teoria dei campi ** La ricerca svolta mira ad applicare le tecniche di teoria dei campi a diversi sistemi statistici al fine di determinarne le proprieta' critiche. A questo fine e' stato sviluppato un codice molto generale che permette di effettuare calcoli ad alto numero di loop ed e' stato applicato a molti sistemi diversi. In particolare, sono stati determinati gli esponenti critici del modello di Ising diluito, del modello cubico, dei modelli chirali con simmetria O(n)*O(m), ed e' stato studiato il comportamento multicritico di sistemi con due parametri d'ordine vettoriali e matriciali. Molte di queste predizioni sono state confrontate con i risultati di calcoli Monte Carlo e con risultati sperimentali. *Testo inglese* The properties of disordered and/or frustrated systems in their spin glass phase attract a lot of interest in the scientific community. We will analyze here the main fields of research regarding both high-level physical application and the paradigmatic use of statistical mechanics methods. Indeed the strong interplay between analytical and numerical approaches, in particular between disordered system statistical mechanics, field theory and a massive use of computational resources (especially dedicated computers), is one of the main characteristics of the present project. ** Description of out of equilibrium dynamics in glassy systems ** A glassy system is a generic aggregate of a large number of degrees of freedom that interact strongly among them and tend to relax toward low energy states via a dynamics having a broad spectrum of relaxing time scales (from picoseconds to thousands of years). It is very hard to describe such a glassy dynamics, even under some approximations. Moreover in many glassy systems (the so-called real glasses) the slowness of the dynamics is an effect of the frustration self-generated during the relaxation process. In such a situation the cause (the frustration) evolves on the same time scales of the effect (glassy dynamics), making the resulting process highly non-trivial. On this study we are using special purpose computers in collaboration with some Spanish universities. We plan to pursue this line of research especially with the Ferrara group. ** Search for optimal solutions to a hard combinatorial problem ** A combinatorial problem consist in assigning values to a large number of variables such that all or most constraints are satisfied. Needless to say that finding solutions to such a generic problem would have very broad applications. When problems of this kind are recast in a statistical mechanics formalism, one discovers that they correspond to frustrated models (otherwise they would be easy to solve). Moreover the dynamics followed by a typical algorithm searching for optimal solutions is glassy-like. ** Thermodynamical properties of finite-dimensional spin glasses. Rejuvenation and memory effects ** Despite almost 30 years of numerical and analytical studies, the kind of symmetry breaking taking place in the low temperature phase of a 3-dimensional spin glass model is still unclear. Recently new numerical methods have been applied to study this problem: e.g. the use of ground states (which does not feel any effect due to the vicinity of the critical point) and the use of the fluctuation-dissipation ratio measured with a procedure totally free from non-linear response effects. Moreover "rejuvenation and memory" effects experimentally measured in real spin glasses remain mainly not understood. ** Structural glasses and the glass transition ** In the last few years we developed a theory for the dynamic glass transition in structural glasses. The key idea is that the slowing down that occurs in glasses at the temperature Tc, is just a manifestation of a topological transition taking place in the phase space: on the potential energy surface of a glassy system there is a critical level Ec separating the domain dominated by minima. The minima-to-saddles transition gives rise to activated dynamics, responsible of the slowing down of the structural relaxation. More recently we provided a formal description of saddle dynamics above Td, finding some fundamental aspects of glassy phenomenology. ** Metastability limit in supercooled liquids ** In their metastable phase, below the melting point, the viscosity of supercooled liquids grows dramatically, up to a point where the relaxation time exceeds the experimentally available time and the system falls out of equilibrium. An important question is what would happen if thermalization of the liquid could be achieved at lower an lower temperatures. A fascinating scenario predicts a thermodynamic transition at a temperature smaller than Tc where the entropy of the liquid becomes equal to the entropy of the crystal. However, in order for this to be true, it is essential that the liquid does not lose its stability in favor of the crystalline phase. In this last case there would be a metastability limit, and Tk would not exist. ** Supersymmetry and complexity in spin-glasses ** The entropy of metastable states, that is the complexity, is a concept which is crucial to understand the dynamics of spin-glasses. Our group discovered that in the analytic calculation of the complexity there is a supersymmetry (SUSY), which may be conserved, or broken, depending on the different dynamical class of the system. ** Multi-agent systems ** In the last few years, many aspects of the critical behavior of interacting agents systems have been elucidated thanks to a systematic application of concepts and methods of spin-glass theory (both analytical and numerical) to economics-inspired problems. It has been possible to establish robust connections between the microscopic rules that govern the behavior of agents and their macroscopic (collective) effects, including fluctuations, efficiency and predictability, and to characterize transitions between different phases (e.g. predictable/unpredictable) in complete analogy with equilibrium phase transitions in magnetic systems. Among the directions open for further work, two are the most promising for physical techniques. The first is understanding the off-equilibrium level, in particular to address the origin of the characteristic dynamical regimes observed empirically in financial markets, where intermittency, fluctuations clustering, bubbles and crashes are distinguishing features; the second point concerns the optimization of these systems, that is the maximization the collective efficiency, which is crucial in many real-life systems (e.g. road networks, computer networks) that are subject to congestion. A possible mechanism to achieve this goal is to act on the information supply. ** Collective motion in complex systems. ** Systems composed by a large number of interacting heterogeneous units often display a complex collective behaviour that cannot be deduced in a simple way by looking at individual properties. This problem is well known in condensed matter physics, where collective phenomena as phase transitions have been the object of intensive theoretical and experimental research. There are however numerous examples of complex collective behaviour also in other fields, from biology (collective motion of bactery colonies, insects swarms, fish schools, birds flocks) to sociology and economy (panic phenomena, traffic problems, markets, auctions etc.). An important problem is therefore to describe the general properties of such a behaviour, understand its fundamental mechanisms and unveil its microscopic origins. In some cases the system displays a non trivial collective behaviour by assuming special shapes in a two or three-dimensional space, and it is possible to directly observe the formation and evolution of complex patterns. This circumstance, quite common in biological problems, is particularly interesting since it allows a graphical representation of the evolution of the system that greatly improves the identification of the relevant features. ** Optimization Methods for Exact Computations of Partition Functions ** Connections among our problems and optimization techniques allows to solve complex questions like exact computations of partition functions of spin glasses in 2d on large systems (up, say, to 100*100). We have succeeded, thanks to these techniques, to determine the low T behavior of the specific heat of these systems. We have studied fully frustrated models, and models containing a given amount of unfrustrated, random distributed plaquettes. ** Biophysics. DNA Unzipping ** We have shown that unzipping dynamics has typical features of slow/glassy dynamics. We are applying optimization methods to try and obtain structural information from a slow unzipping dynamics. ** Field Theory ** We have applied field-theory techniques to several different statistical systems, in order to determine their critical properties. For this purpose we have developed a general computer code that allows us to compute perturbative series to high order and we have applied it to several systems. In particular, we have determined the critical exponents of the dilute Ising model, of the cubic model, of the chiral model with symmetry O(n)*O(m), and we have studied the multicritical behavior of systems with two vector and matricial order parameters. Many of these predictions have been compared with Monte Carlo and experimental results. ------------------------------------------------------------------------ 2.4.a Riferimenti bibliografici Alcune fra le nostre pubblicazioni:/some among our papers S. Franz, M. Leone, A. Montanari e F. Ricci-Tersenghi Phys. Rev. E 66, 046120 (2002) A.K. Hartmann e F. Ricci-Tersenghi Phys. Rev. B 66, 224419 (2002). W. Barthel, A.K. Hartmann, M. Leone, F. Ricci-Tersenghi, M. Weigt e R. Zecchina Phys. Rev. Lett. 88, 188701 (2002). E. Marinari, A. Pagnani e F. Ricci-Tersenghi Phys. Rev. E 65, 041919 (2002). A. Braunstein, M. Leone, F. Ricci-Tersenghi e R. Zecchina J. Phys. A 35, 7559 (2002). M. Marsili, R. Mulet e F. Ricci-Tersenghi Lecture Notes in Economics and Mathematical Systems 521, 61 (2003). M. Mezard, F. Ricci-Tersenghi e R. Zecchina J. Stat. Phys. 111, 505 (2003). A. Montanari e F. Ricci-Tersenghi. Phys. Rev. Lett. 90, 017203 (2003) A. Montanari e F. Ricci-Tersenghi. The European Phys. J. B 33, 339 (2003) A. Montanari e F. Ricci-Tersenghi. Phys. Rev. B 68, 224429 (2003) T. Castellani, V. Napolano, F. Ricci-Tersenghi e R. Zecchina J. Phys. A. 36, 11037 (2003) F. Ricci-Tersenghi Phys. Rev. E 68, 065104(R) (2003). A. Montanari, G. Parisi e F. Ricci-Tersenghi. J. of Phys. A 37, 2073 (2004) C. Godreche, F. Krzakala e F. Ricci-Tersenghi J. Stat. Mech. (2004) A. J. Bray, A. Cavagna, R. D. M. Travasso Phys. Rev. E 65, 016104 (2002). T. S. Grigera, A. Cavagna, I. Giardina and G. Parisi Phys. Rev. Lett. 88, 055502 (2002). I. Giardina, J-P Bouchaud, Eur. Phys. J. B 31 421 (2003) A. Cavagna, I. Giardina and T. Grigera Europhys. Lett. 61, 74 (2003). A. Cavagna, I. Giardina and G. Parisi. J. Phys. A 36, 1175 (2003). A. Cavagna, I. Giardina and T. Grigera J. Chem. Phys. 118, 6974 (2003). A. De Martino, I. Giardina and G. Mosetti J. Phys. A 36, 8935 (2003). A. Cavagna, I. Giardina and T. S. Grigera J. Phys. A: Math. Gen. 36 10721 (2003). A. Annibale, A. Cavagna, I. Giardina, G. Parisi and E. Trevigne. J. Phys. A 36, 10937 (2003). A. Annibale, A. Cavagna, I. Giardina and G. Parisi. Phys. Rev. E 68, 061103 (2003). A. Cavagna, I. Giardina and G. Parisi. Phys. Rev. Lett. 92, 120603 (2004). A. De Martino, I. Giardina, M. Marsili, A. Tedeschi Phys. Rev. E 70, 025104 (2004). A. Cavagna, I. Giardina and G. Parisi. Phys. Rev. B 71, 011502 (2005). C. De Dominicis, I. Giardina, E. Marinari, O. Martin and F. Zulliani. Sottomesso a Phys. Rev. B. A. De Martino, I. Giardina, G. Mosetti J. Phys. A 36 8935 (2003) A. De Martino: Dynamics of multi-frequency minority games, Eur. Phys. J. B 35 143 (2003) A. De Martino, M. Marsili, R. Mulet: Adaptive drivers in a model of urban traffic, Europhys. Lett. 65 283 (2004) A. De Martino, M. Marsili and I. Perez Castillo: Typical properties of large random economies with linear activities, Macroec. Dyn. (in press) A. De Martino, M. Marsili and I. Perez Castillo: Statistical mechanics analysis of the equilibria of linear economies, J. Stat. Mech. P04002 (2004) D. Challet, A. De Martino and M. Marsili: Stylized facts in minority games with memory, Physica A 338 143 (2004) A. De Martino, I. Giardina, M. Marsili and A. Tedeschi: Generalized minority games with adaptive trend-followers and contrarians, Phys. Rev. E 70 (R)024104 (2004) A. De Martino, I. Giardina and A. Tedeschi: From perceived risk to collective behavior in minority games, in New Economic Windows (Springer Series on Economics, to appear) D. Challet, A. De Martino and M. Marsili: Minority games with finite score memory, Phys. Rev. E (in press) A. De Martino: Statistical mechanics of resource allocation, Prog. Theor. Phys. (in press) A. De Martino and M. Marsili: On the interplay between fluctuations and efficiency in a model economy with heterogeneous adaptive consumers, Proc. SPIE Conf. on Fluctuations and Noise 2005 (invited article) A. Tedeschi, A. De Martino and I. Giardina: Coordination, trends and intermittency in generalized minority games, preprint (submitted) M. Caselle, M. Hasenbusch, A. Pelissetto, and E. Vicari, J. of Phys. A: Mathematical and General 35 (2002) 4861-4888. A. Pelissetto, P. Rossi, and E. Vicari, Phys. Rev. B 65 (2002) (Rapid Communications) 020403(R), pp. 1-4. P. Calabrese, A. Pelissetto and E. Vicari, Phys. Rev. E 65 (2002) 046115, pp. 1-16. S. Caracciolo, M. Papinutto, and A. Pelissetto, Phys. Rev. E 65 (2002) 031106, pp. 1-15. Selezionato da Virtual J. of Biological Phys. Research 3, March 1, 2002. M. Campostrini, M. Hasenbusch, A. Pelissetto, P. Rossi, and E. Vicari, Phys. Rev. B 65 (2002) 144520, pp. 1-21. P. Calabrese, A. Pelissetto and E. Vicari, J. of Chemical Phys. 116 (2002) 8191-8197. M. Campostrini, A. Pelissetto, P. Rossi, and E. Vicari, Phys. Rev. E 65 (2002) 066127, pp. 1-19. V. Martin-Mayor, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. E 66 (2002) 026112, pp. 1--9. S. Caracciolo and A. Pelissetto, Phys. Rev. E 66 (2002) 016120, pp. 1-4. A. Pelissetto and E. Vicari, Phys. Reports 368 (2002) 549-727. P. Calabrese, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. B 67 (2003) 054505, p. 1-12. S. Caracciolo, A. Gambassi, M. Gubinelli, and A. Pelissetto, J. of Phys. A: Mathematical and General 36 (2003) L315-L320. P. Calabrese, V. Martin-Mayor, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. E 68 (2003) 016110, pp. 1-11. M. De Prato, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. B 68 (2003) 092403, pp. 1-4. S. Caracciolo, A. Gambassi, M. Gubinelli, and A. Pelissetto, European Phys. J. B 34 (2003) 205-217. P. Calabrese, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. B 68 (2003) 092409, pp. 1-3. P. Calabrese, M. De Prato, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. B 68 (2003) 134418, pp. 1-11. F. Parisen Toldin, A. Pelissetto, and E. Vicari, J. of High Energy Phys. 07 (2003) 029, pp. 1-16. P. Calabrese, V. Martin-Mayor, A. Pelissetto, and E. Vicari, Phys. Rev. E 68 (2003) 036136, pp. 1-17. A. Butti, A. Pelissetto, and E. Vicari, J. of High Energy Phys. 08 (2003) 029, pp. 1-26. S. Caracciolo, A. Gambassi, M. Gubinelli, and A. Pelissetto, J. of Statistical Phys. 115 (2004) 281-322; S. Caracciolo, A. Gambassi, M. Gubinelli, and A. Pelissetto, Phys. Rev. Lett. 92 (2004) 029601. P. Calabrese, P. Parruccini, A. Pelissetto, and E. Vicari, Crossover behavior in three-dimensional dilute spin systems, Phys. Rev. E 69 (2004) 036120, pp. 1-16. P. Calabrese, A. Pelissetto, and E. Vicari, Spin Models with Random Anisotropy and Reflection Symmetry, Phys. Rev. E 70 (2004) 036104, pp. 1-13. M. De Prato, A. Pelissetto, and E. Vicari, Normal-to-Planar Superfluid Transition in 3He, Phys. Rev. B 70 (2004) 214519, pp. 1-9. P. Calabrese, P. Parruccini, A. Pelissetto, and E. Vicari, Critical Behavior of O(2)timesO(N) Symmetric Models, Phys. Rev. B 70 (2004) 174439, pp. 1-23. S. Caracciolo, A. Gambassi, M. Gubinelli, and A. Pelissetto, J. of Phys. A: Mathematical and General 37 (2004) 8193-8195. P. Calabrese, A. Pelissetto, and E. Vicari, Multicritical behavior in frustrated spin systems with noncollinear order, Nuclear Phys. B 709 (2005) 550-577. A. Pelissetto and E. Vicari, Interacting N-Vector Order Parameters with O(N) Symmetry, Condensed Matter Phys. (Ukraine) 8 (2005) 87-101; S. Caracciolo, B.M. Mognetti, and A. Pelissetto, Two-Dimensional Heisenberg Model with Nonlinear Interactions: 1/N Corrections, Nuclear Phys. B 707 (2005) 458-492. F. Basile, A. Pelissetto, and E. Vicari, J. of High Energy Phys. 02 (2005), 044, pp. 1-31. ------------------------------------------------------------------------ 2.5 Descrizione del programma e dei compiti dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* ** Descrizione della dinamica di fuori equilibrio in sistemi vetrosi. ** Contiamo di migliorare ed estendere alcuni schemi di approssimazione della dinamica di fuori equilibrio per i quali recentemente e` stata mostrata l'efficacia in alcuni casi semplici. Prevediamo di riuscire ad applicare questi schemi di approssimazione analitica alla dinamica di fuori equilibrio di modelli che presentano una fase di rottura di simmetria delle repliche. Tra questi modelli ci sono, ad esempio, i cosidetti modello di Viana-Bray e modello a p-spin definiti su un reticolo di Bethe. Il confronto con le simulazioni numeriche sara` il criterio di paragone per stimare la bonta` delle approssimazioni. Nel campo delle simulazioni numeriche il nostro gruppo vanta una tradizione decennale. Inoltre disponiamo di un discreto numero di computer che ci permettera` di fare delle misure molto dettagliate della dinamica di fuori equilibrio. L'ultimo, ma certamente piu` importante, punto di questa linea di ricerca consiste nel riuscire a prevedere lo stato asintotico di una dinamica vetrosa. Il risultato al quale puntiamo (sebbene sia molto difficile da raggiungere) e` quello di riuscire a descrivere lo stato asintotico di una dinamica di fuori equilibrio in termini di quantita` misurabili all'equilibrio. Questo permetterebbe di fare delle previsioni accurate senza il bisogno di risolvere l'intera dinamica, bensi` solo facendo delle misure termodinamiche. In questa parte del nostro studio si cerchera` di definire meglio alcuni concetti quali la complessita`, ossia il numero di stati termodinamicamente stabili ad una certa energia. ** Ricerca delle soluzioni ottimali per un generico problema combinatorio duro. ** Un generico algoritmo di ricerca, come quelli sofisticati inventati negli ultimi anni nel campo della Computer Science, differisce da una dinamica "fisica" essenzialmente perche' non soddisfa l'equazione del bilancio dettagliato. Questa differenza implica che a priori non e` chiaro nemmeno se possa essere definito un "stato asintotico" per un generico algoritmo di ricerca di soluzioni. Sara` uno degli scopi di questa linea di ricerca quello di generalizzare la definizione di stato asintotico, affinche' possa applicarsi alla maggior parte degli algoritmi. In seguito sara` nostro interesse studiare e capire la connessione tra le "regole" che definiscono la dinamica di ricerca e la bonta` del risultato finale. L'obiettivo finale e` quello di poter fornire dei principi generali che devono essere rispettati dagli algoritmmi se si vogliono raggiungere le soluzioni migliori. ** Descrizione delle proprieta` termodinamiche di un vetro di spin in dimensioni finite. Riproduzione e comprensione degli effetti di ringiovanimento e memoria. ** Grazie alla crescita esponenziale delle capacita` di calcolo dei computers, riteniamo che nei prossimi anni si potrebbe incominciare a rispondere ad alcuni domande sui vetri di spin 3-dimensionali che fino ad oggi sono rimaste senza risposta. Collaboriamo con il centro di ricerche BIFI a Saragozza (Spagna) dove e` stato costruito il piu` potente computer per simulare vetri di spin. I nostri scopi in questa linea di ricerca sono quello di continuare lo studio delle proprieta` termodinamiche e degli effetti di "ringiovanimento e memoria" dei vetri di spin 3-dimensionali. Per raggiungere il primo obiettivo contiamo di mettere a punto alcuni nuovi algoritmi a cluster per i sistemi frustrati. Questi algoritmi a cluster sono molto poco efficienti su un reticolo cubico, ma diventano particolarmente veloci se si studia un modello diluito. Scegliendo accuratamente la diluizione raggiungeremo il doppio scopo di preservare la fase di vetro di spin e di poterla studiare con un algoritmo veloce. Per quanto riguarda gli effetti di ringiovanimento, non e` ancora chiaro se siano riproducibili a livello numerico nei vetri di spin 3-dimensionali. Alcuni risultati preliminari sembrano suggerire una risposta negativa. Nel caso tale risultato fosse confermato da misure piu` accurate, diversi concetti andrebbero rivisti nella teoria dei vetri di spin. In parallelo contiamo di estendere lo studio degli effetti di ringiovanimento anche ai vetri di spin definiti sul reticolo di Bethe. In questo caso e` nota una soluzione analitica approssimata (con una rotttura della simmetria delle repliche) della fase di bassa temperatura. Stiamo cercando di calcolare alcune proprieta`, quali quella di caos in temperatura, che non sono state analizzate fino ad oggi. Per questi modelli con interazioni a lungo raggio sara` possibile confrontare i risultati delle simulazioni numeriche con quelli analitici approssimati. Tale confronto dovrebbe permetterci di capire quanto le simulazioni numeriche di sistemi disordinati di taglia finita riproducono i fenomeni presenti nel limite termodinamico. ** Vetri strutturali e transizione vetrosa ** Nuove simulazioni numeriche sono necessarie per verificare se l'approccio teorico recentemente formulato da noi parta da ipotesi che sono effettivamente verificate in sistemi realistici. A tal fine e' necessario operare simulazioni di dinamica molecolare in sistemi tipo Lennard-Jones e sfere soft, e trovare le selle dell'energia potenziale con vario grado di instabilita'. Quando questo sia fatto, si dovra' procedere ad uno studio accurato degli spettri vibrazionali di questi punti stazionari, per capire come si modifica lo spettro delle selle all'avvicinarsi della transizione vetrosa. In secondo luogo, e' fondamentale estendere l'approccio analitico sviluppato, in modo da tenere in conto le anarmonicita' dei punti stazionari, e in tal modo recuperare il corretto valore degli esponenti critici. ** Limite di metastabilita' nei liquidi sottoraffreddati ** La nostra intenzione e' di studiare in futuro quale e' il ruolo giocato dalla elasticita' nei liquidi sottoraffreddati, e in quale misura l'elasticita' puo' inibire l'esistenza del limite di metastabilita'. Infatti, su scale di tempo molto minori del tempo di rilassamento, un liquido sottoraffreddato si comporta come un solido elastico, e dunque la nucleazione del cristallo a bassissime temperature e' contrastata da un costo elastico proporzionale al volume del dominii cristallini che si formano. A seconda dei particolari valori dei parametri di elasticita' e rilassamento, e' possibile ipotizzare un caso in cui la nucleazione cristallina sia completamente inibita dall'eccessivo costo elastico, rimuovendo in tal modo il limite di metastabilita' del sistema. Questa tematica puo' essere anche studiata numericamente accoppiando il modello su reticolo da noi introdotto ad un continuum elastico sottostante, in modo da tener in conto la differenza di volume tra fase cristallina e fase liquida. ** Sistemi a molti agenti ** il nostro progetto di ricerca per i prossimi anni ha un duplice scopo: (1) la caratterizzazione analitica e numerica di diversi modelli ad agenti interagenti allo scopo di verificare l'origine, la robustezza e la generalita' di regimi dinamici turbolenti; (2) lo studio di come diverse strutture di informazione possano alterare la funzionalita' e l'efficienza di sistemi distribuiti ad agenti. (1) Una buona parte della letteratura finanziaria individua nell'interazione fra diverse classi di agenti l'origine dei regimi turbolenti. In particolare, l'attenzione si pone su due classi (i fondamentalisti e i `chartists') e sulle variazioni della concentrazione relative dei due gruppi nel mercato. La loro interazione puo' essere studiata in maniera quantitativa nel contesto dei cosiddeti Minority Games, sistemi ad agenti minimali mappabili su modelli a campo medio di vetri di spin. Le ipotesi alla base di questi modelli possono essere verificate da dati empirici ad alta frequenza, usando tecniche di analisi note prese in prestito dalla microstruttura dei mercati. In questo modo sara' possible mettere in relazione tanto al livello teorico quanto a quello empirico la microstruttura dei mercati con i diversi regimi dinamici possibili. (2) Il modo in cui diversi utenti accedono a reti informatiche (ad es. per file sharing peer-to-peer) o a reti stradali dipende dall'informazione che hanno disposizione. Diverse strutture di informazione possono infatti portare tali reti a livelli di funzionalita' molto alti o molto bassi. Al contrario del livello utente, che di solito non e' regolato, il livello dell'informazione e' centralizzato, ovvero esiste una sorgente di informazione precisa cui tutti gli utenti hanno accesso allo stesso modo. Il nostro scopo e' individuare gli effetti di diverse strutture sull'efficienza della rete, a partire da reti di file-sharing. Sperimentalmente, e' noto che l'ottimizzazione della funzionalita' richiede la minimizzazione della `overreaction' degli agenti all'informazione. Questo problema puo' essere affrontato analiticamente e numericamente per diverse strutture ricorrendo a modelli tipo Minority Games, in cui e' possibile ricavare una relazione diretta fra le fluttuazioni e la struttura dell'informazione. ** Movimenti collettivi in sistemi complessi ** L'idea principale e' di cominciare a studiare dei casi in cui gli effetti collettivi si manifestino in uno spazio piu' semplice, come lo spazio 'fisico' in tre dimensioni, e utilizzare la conoscenza acquisita per studiare anche situazioni piu' complicate in cui il sistema evolve in uno spazio multi-dimensionale. I nostri sforzi nei prossimi anni saranno dunque inizialmente concentrati su un problema specifico, il moto degli stormi di uccelli, e, in particolare, dello {it sturnus vulgaris}. Il comportamento degli storni in volo serale (roosting time) rappresenta un problema ancora aperto in biologia/etologia e le loro evoluzioni rappresentano un esempio paradigmatico di moto collettivo complesso. Gli obiettivi che ci proponiamo sono: i) Attuare una raccolta sistematica di dati sperimentali, e realizzare una ricostruzione stereoscopica delle traiettorie tridimensionali dei singoli uccelli nello stormo mediante immagini digitali ad altissima frequenza e risoluzione. Tale parte e' assolutamente innovativa in quanto non esistono ne' in biologia applicata ne' in robotica collettiva analisi tridimensionali di questo tipo per sistemi con cosi' tanti elementi (gli stormi di storni raggiungono anche diecimila, ventimila uccelli). ii) Vogliamo poi individuare e sviluppare dei modelli teorici minimali che, specificando le interazioni tra i singoli individui, siano in grado di riprodurre il comportamento aggregato e predire gli effetti collettivi osservati. Alcuni modelli di tale tipo esistono gia' nell'ambito della meccanica statistica di sistemi interagenti disordinati. Essi si basano su equazioni dinamiche stocastiche per le velocita' dei singoli uccelli con interazioni a primi vicini, e riproducono l'esistenza di uno stato ordinato (i.e. moto collettivo). Manca tuttavia un confronto con i dati sperimentali, finora inesistenti, che giustifichi l'effettiva validita' di tali modelli. iii) Vorremmo infine cercare di estendere, ove possibile, i risultati della nostra ricerca anche ad altri fenomeni collettivi, sia in campo biologico (per es. ai pesci), che in campo socio-economico, dove i cosiddetti effetti di 'herding' in cui gli individui agiscono in gruppi coordinati possono avere notevole importanza (si pensi ad esempio ai fenomeni di panico, o alle bolle speculative nei mercati finanziari). ** Uso di Metodi di Ottimizzazione per il Calcolo Esatto di Funzioni di Partizione ** Abbiamo intenzione di generalizzare i nostri studi a problemi quali la presenza di chaos in temperatura, lo studio di sistemi diluiti, l'analisi di sistemi con accoppiamenti diversi da quelli binari. ** Studio di Sistemi Biofisici. Unzipping del DNA ** Abbiamo intenzione di rendere piu' concrete le nostre idee rispetto alle dinamiche lente, specializzando la nostra analisi a casi reali ed alla analisi di veri esperimenti. Abbiamo intenzione di arrivare ad una comprensione quantitativa della possibile ricostruzione della sequenza di basi partendo da dati di esperimenti di apertura lenta della catena di DNA. ** Teoria dei Campi ** Nei prossimi anni intendiamo studiare con tecniche Monte Carlo e di teoria dei campi sistemi complessi rilevanti per la fisica dei cuprati, estendere lo studio dei modelli chirali con simmetria O(n)*O(m) alle due dimensioni dove il comportamento risulta piu' complesso, e studiare sistemi con anisotropia casuale. Accanto alla statica, vogliamo applicare gli stessi metodi alla dinamica di sistemi statistici, focalizzandoci sulle violazioni del teorema di fluttuazione-dissipazione, sulla dinamica fuori dall'equilibrio a piccoli tempi e sul rilassamento all'equilibrio. Infine tecniche Monte Carlo e di teoria dei campi possono essere applicate a sistemi che non sono in equilibrio termodinamico ma sono comunque in uno stato stazionario: in particolare ci occuperemo del gas reticolare in presenza di campo elettrico esterno, sia costante sia casuale. Infine metodi Monte Carlo e di teoria dei campi possono essere applicati alla fisica dei polimeri, studiando il fattore di forma per diverse conformazioni polimeriche, il potenziale effettivo a due e tra corpi tra polimeri ed i potenziali effettivi tra particelle colloidali indotti dalla presenza di polimeri. In particolare, ci focalizzeremo sul crossover tra il comportamento in buon solvente ed il regime theta. Simulazioni di dinamica molecolare verranno infine utilizzate per la determinazioni di proprieta' dinamiche dei fluidi semplici vicino alla transizione liquido-vapore: in particolare la viscosita' ed il coefficiente di diffusione. *Testo inglese* ** Description of out of equilibrium dynamics in glassy systems ** We plan to improve and to extend some approximation schemes for the out of equilibrium dynamics, which have been recently found useful in relatively simple models. We believe we can apply successfully these new approximations methods to models having a replica symmetry broken phase. These models include the Viana-Bray one and the p-spin on the Bethe lattice. Comparison with numerical simulation will be our main benchmark for estimating approximation goodness. In the field of numerical simulations our group has a decennial expertise. Thanks to the computational resources we have access to, we believe we can reach a very detailed description of the off-equilibrium dynamics. Last but not least important point of this research line consist in predicting the asymptotic state of a glassy dynamics. Our objective, although very ambitious, is to characterize the asymptotic state of an out of equilibrium dynamics in terms of equilibrium properties. This result would allow to make precise predictions on long time behavior, without solving the entire off-equilibrium dynamics. In this part of our study will be necessary to better define concepts like complexity, that is the number of thermodynamically stable states at a given energy. ** Search for optimal solutions to a hard combinatorial problem ** Sophisticated searching algorithms, like those invented in the last years by computer scientists, differ from a "physical" dynamics mainly because do not satisfy detailed balance. It is thus a priori unclear whether an asymptotic state can be defined for any searching algorithm. One of the aims of the present research line will be to generalize the concept of asymptotic state, such that it can be applied to the broadest class of algorithms. Then we will concentrate in understanding the connection between the "rules" of the searching algorithm and the optimality of the final result. The final aim being to provide general tricks which define a good searching algorithm. ** Thermodynamical properties of finite-dimensional spin glasses. Rejuvenation and memory effects ** Thanks to the exponential growth of available computational resources, we believe that in the next years some old questions on 3-dimensional spin glasses could be finally answered. We work with the BIFI research center in Zaragoza (Spain) where a group of physicists build up the most powerful computer dedicated to the study of 3-dimensional spin glasses. Our aims along this research line consist mainly in pursuing the study of thermodynamical properties of 3-dimensional spin glasses as well as their rejuvenation and memory effects. In order to reach the first objective we plan to improve cluster algorithms for frustrated spin systems. Such cluster algorithms are very inefficient when used for a model defined on a 3d cubic lattice, but they become much faster when used for a diluted model. Choosing accurately the dilution we will be able to study a spin glass phase with an efficient algorithm. Regarding rejuvenation effects, it is still unclear whether they can be reproduced numerically with the Edwards-Anderson model in 3 dimensions. In case such a preliminary result would be confirmed by more accurate numerical simulations, some concepts should be revised in the spin glass theory. In parallel, we plan to extend the study of rejuvenation and memory effects also to spin glasses defined on the Bethe lattice. In this case an approximated analytical solution of the low temperature phase is known (the so-called one step replica symmetry broken solution). Our objective is to calculate some properties still unknown, like e.g. the temperature chaos. For these models having long-range interactions will be possible to compare outcomes of numerical simulations with approximated analytical solutions. Such a comparison would allow us to better understand how much numerical simulations of finite size systems reproduce the behavior in the thermodynamic limit. ** Structural glasses and the glass transition ** New numerical simulations are necessary in order to verify whether the theoretical approach we formulated is in fact starting from realistic hypothesis. To this aim, we need to run Molecular Dynamics simulations in Lennard-Jones, or Soft Sphere systems, and find the stationary points of the potential energy, with various degree of instability. This done, it will be necessary a detailed study of the vibrational spectra of such stationary points, and study how the saddles spectrum is modified when approaching the glass transition. Secondly, it is important to extend the analytical approach we developed, including the anharmonicities of stationary points, to obtain the correct value of the dynamical critical exponents. ** Metastability limit in supercooled liquids ** Our project is to study what is the role played by elasticity in supercooled liquids, and to what extent elasticity may suppress the metastability limit. On time scales much smaller than the structural relaxation time, a supercooled liquid behaves as an elastic solid, from a mechanical point of view. Thus the nucleation of crystal droplets at very low temperatures must pay an elastic cost proportional to the volume of the droplets. Depending on the elastic and relaxational parameters, it is possible to hypothesize a case where nucleation is completely suppressed by a too large elastic cost. In this case, the metastability limit would be removed. This topic can also be studied numerically, by coupling the lattice model we introduced, to an underlying elastic medium, which takes into account a volume difference between the liquid and elastic phases. ** Multi-agent systems** The goal of our research project in the field of multi-agent systems for the next years is twofold. (1) On one hand, we aim at exploring analytically and numerically different realistic agent-based models of financial markets so as to address the origin, robustness and generality of turbulent dynamical regimes, comparing assumptions and results with empirical high frequency data. (2) On the other, we want to analyze the impact of different information structures on the collective properties of distributed systems of interacting agents. (1) Studies in financial market microstructure have identified the origin of turbulent market phases in the fluctuation of the concentration of different types of traders, focusing especially on fundamentalists, who try to anticipate trends, and chartists, who instead use technical analysis to identify trends and follow them. The interaction between the two groups can be addressed in a quantitative way in the context of generalized Minority Games using spin-glass techniques, both static and dynamical. The microscopic assumptions can be tested against empirical data using methods borrowed from finance that allow to partially disentangle the contribution of the two groups. It will thus be possible to relate in a robust way both theoretically and empirically the market microstructure with the observed dynamical patterns. (2) The way in which agents access networks, be they computer networks (e.g. for p2p file sharing) or road networks, depends on the type of information they have. Different information structures can alter significantly the properties of the newtorks by enhancing congestions or by leaving the network under-used. While network access and usage is unregulated, in most cases the supply of information is centralized. We aim at studying the role of different information structures on distributed systems, in particular on p2p networks. It is an experimentally known fact that the achievement of globally optimal states requires the reduction of microscopic overreaction. The Minority Game framework is ideally suited to tackle the problem of how the information supply alters fluctuations and, consequently, the overreaction (that is, the difference between the optimal and the actual size of fluctuations). ** Collective motion in complex systems. ** The main idea underlying this project is to focus initially on cases where collective effects do occurr in a simple configuration space, such as the three-dimensional 'physical' space, and later on try to extend the acquired knowledge also to the more complex situations where the relevant configuration space is multi-dimensional. Our main efforts in the very next years will then be devoted to a specific problem, namely the coordinated movements of birds, and in particular of starlings ({it sturnus vulgaris}). Flocking behaviour of starlings at roosting time still represents an open problem in biology and their evolutions are a paradigmatic example of complex collective motion. Our main objectives are: i) To collect systematically experimental data, and to realize a stereoscopic reconstruction of the three-dimensional trajectories of the individual birds in the flock, through digital images at high frequency and resolution. This part is completely new and original since three-dimensional analysis of this kind with very large systems cannot be found in applied biology nor in collective robotics (starling flocks can count more than ten thousands birds). ii) To develop minimal models that, starting from the microscopic interactions between the individuals, are able to reproduce the collective behaviour observed in nature and charecterized via our experimental analysis. Some models already exist in the literature of statistical mechanics of disordered systems. They are based on stochastic dynamical equations for the velocities of the individual birds with nearest neighbour interactions, and reproduce the existence of an ordered state (i.e. collective motion). A serious comparison with real data, at present not available, is however still lacking and the validity of such models is therefore questionable. iii) Finally, we would like to extend our results, whenever possible, also to other collective phenomena, in biology (e.g. fish schools) but also in sociology/economics where 'herding' effects may play a crucial role (typical examples are panic events, or the formation of speculative bubbles in financial markets). ** Optimization Methods for Exact Computations of Partition Functions ** We want to generalize our approach to problems like temperature chaos, the study of diluted systems and the analysis of couplings that are different from the binary couplings we have used till now. ** Biophysics. DNA Unzipping ** We want to specialize our slow dynamics approach to realistica cases and to the analysis of real experiments. We want to reach a quantitative understandind of the possible reconstruction of the base sequence from data from experiments slowly opening the DNA chain. ** Field Theory ** In the next years we plan to use Monte Carlo and field-theory methods for the study of complex systems that are relevant for the physics of cuprates, of two-dimensional chiral systems with symmetry O(n)*O(m), and of systems with random anisotropy. We also wish to apply the same methods to the study of the dynamics of statistical systems, focusing on the violations of the fluctuation-dissipation theorem, on the short-time out-of-equilibrium dynamics, and on the relaxation towards equilibrium. Monte Carlo and field-theory techniques can also be applied to systems that are in a stationary state that is not a state of thermal equilibrium: in particular, we shall study the lattice gas in the presence of an external (constant or random) electric field. Finally, field theory and Monte Carlo methods can be applied to polymer physics: we plan to compute the form factor, the effective two-body and three-body interactions for several different polymer conformations, and the effective interactions among colloidal particles induced by polymers in solution. In particular, we will focus on the crossover between the good-solvent and the theta regimes. Molecular dynamics simulations will be finally used for the determination of the dynamic properties of simple fluids close to the liquid-vapor transition: in particular, the viscosity and the diffusion coefficient. ------------------------------------------------------------------------ 2.6 Descrizione delle attrezzature già disponibili ed utilizzabili per la ricerca proposta con valore patrimoniale superiore a 25.000 Euro *Testo italiano* nº anno di acquisizione Descrizione 1. 2002 Cluster Linux 40 processori *Testo inglese* nº anno di acquisizione Descrizione 1. 2002 Linux cluster farm. Pentium processor. 40 processors. 2.7 Descrizione delle Grandi attrezzature da acquisire (GA) *Testo italiano* nº Descrizione valore presunto percentuale di utilizzo per il programma 1. Nuovo cluster Linux. Il vecchio e' ormai obsoleto, e non e' piu' sufficiente a rispondere alle nostre richieste di calcolo. Unita' blades (a causa di vincoli logistici). Circa 40 schede biprocessore, elettronica, rack, networking. 120.000 100 *Testo inglese* nº Descrizione valore presunto percentuale di utilizzo per il programma 1. New Linux cluster. The old one is at this point obsolete, and not sufficient anymore to satisfy the computational needs of our large group. Blade units (because of logistic constraints). Order of 40 biprocessor units, connection, cabling, interfaces, rack,networking. 120.000 100 ------------------------------------------------------------------------ 2.8 Mesi uomo complessivi dedicati al programma *Testo italiano* Numero Mesi uomo 1° anno Mesi uomo 2° anno Totale mesi uomo *Personale universitario dell'Università sede dell'Unità di Ricerca* 4 31 31 62 *Personale universitario di altre Università* 0 0 0 0 *Titolari di assegni di ricerca* 0 *Titolari di borse* Dottorato 5 54 40 94 Post-dottorato 4 44 27 71 Scuola di Specializzazione 0 *Personale a contratto* Assegnisti 0 Borsisti 1 11 11 22 Dottorandi 1 11 11 22 Altre tipologie 1 2 2 4 *Personale extrauniversitario* 3 18 18 36 *TOTALE * * * *19 * *171 * *140 * *311 * *Testo inglese* Numero Mesi uomo 1° anno Mesi uomo 2° anno Totale mesi uomo *University Personnel* 4 31 31 62 *Other University Personnel* 0 0 0 0 *Work contract (research grants, free lance contracts)* 0 *PHD Fellows & PHD Students* PHD Students 5 54 40 94 Post-Doctoral Fellows 4 44 27 71 Specialization School 0 *Personnel to be hired* Work contract (research grants, free lance contracts) 0 PHD Fellows & PHD Students 1 11 11 22 PHD Students 1 11 11 22 Other tipologies 1 2 2 4 *No cost Non University Personnel* 3 18 18 36 *TOTALE * * * *19 * *171 * *140 * *311 * PARTE III 3.1 Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca *Testo italiano* Voce di spesa Spesa in Euro Descrizione Materiale inventariabile 30.000 Soprattutto il normale acquisto di nuovi computers e dischi per i ricercatori del gruppo. Grandi Attrezzature 120.000 Come descritto prima. Linux farm, 32 bit chips, connttivita' gigabit. Materiale di consumo e funzionamento 10.000 Consumo generico, cartoleria, riparazioni hardware, piccoli ricambi, telefoni... Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto 100.000 Come descritto prima. Dottorandi e postdocs. Servizi esterni 8.000 Supporto sistemi di calcolo. Missioni 20.000 Collaborazioni scientifiche. Pubblicazioni Partecipazione / Organizzazione convegni 14.000 Organizzazione di un convegno. Altro *TOTALE* *302.000 * * * *Testo inglese* Voce di spesa Spesa in Euro Descrizione Materiale inventariabile 30.000 Mainly the usual expenses for buying new computers and disks for our researchers. Grandi Attrezzature 120.000 As described before.Linux farm, 32 bit chips, gigabit connection Materiale di consumo e funzionamento 10.000 Generic perishable material, paper, fixing hardware, small repairs, telephons,... Spese per calcolo ed elaborazione dati Personale a contratto 100.000 As described before. Postdoc and doctorates. Servizi esterni 8.000 Computer systems support. Missioni 20.000 Scientific collaborations. Pubblicazioni Partecipazione / Organizzazione convegni 14.000 We will organize a meeting. Altro *TOTALE* *302.000 * * * 3.2 Costo complessivo del Programma di Ricerca Descrizione Costo complessivo del Programma dell'Unità di Ricerca 302.000 Fondi disponibili (RD + RA) /comprensivi dell'8% max per spese di gestione/ 92.000 Progetto CEE STIPCO 76000. Ateneo Marinari 2004 16000. Cofinanziamento di altre amministrazioni *Cofinanziamento richiesto al MIUR* 210.000 3.3.1 Certifico la dichiarata disponibilità e l'utilizzabilità dei fondi di Ateneo (RD e RA) SI /(per la copia da depositare presso l'Ateneo e per l'assenso alla diffusione via Internet delle informazioni riguardanti i programmi finanziati e la loro elaborazione necessaria alle valutazioni; D. Lgs, 196 del 30.6.2003 sulla "Tutela dei dati personali")/ Firma _____________________________________ Data 03/04/2005 ore 18:55