«Апостериори»: Квантовый симулятор показал новый механизм разрыва «струны» между частицами

Новости науки и технологий

Поддержите «Эхо», если вы не в России

Физики впервые экспериментально воспроизвели новый механизм разрыва струны, связывающей частицы в конфайнирующей калибровочной теории. Для этого исследователи использовали квантовый симулятор на основе захваченных ионов. Результаты опубликованы в журнале Nature Physics.

Кварки – элементарные частицы, из которых состоят, например, протоны и нейтроны. В отличие от электронов, отдельные кварки в природе не наблюдаются. Они обладают так называемым цветовым зарядом и связаны друг с другом сильным взаимодействием. Это явление называется конфайнментом.

Его можно представить следующим образом. Если попытаться разнести кварк и антикварк, энергия связывающего их глюонного поля будет увеличиваться с расстоянием. Поэтому связь между ними часто условно изображают в виде натянутой струны. Чем дальше частицы друг от друга, тем больше энергии запасено в этой струне. В определённый момент энергии становится достаточно для рождения новой пары кварк–антикварк. В результате вместо двух изолированных частиц образуются две новые связанные системы, а исходная струна разрывается. Подобные процессы играют важную роль, например, при столкновениях частиц в ускорителях.

Однако рассчитать динамику такого процесса непосредственно из квантовой хромодинамики чрезвычайно сложно. Классические компьютеры достаточно успешно моделируют некоторые статические свойства конфайнмента, но расчёт эволюции сильно взаимодействующей квантовой системы во времени требует значительно больших вычислительных ресурсов. Поэтому одним из возможных подходов считается использование квантовых симуляторов.

В новой работе исследователи воспроизвели не саму квантовую хромодинамику, а значительно более простую одномерную калибровочную теорию ℤ₂. Эту теорию можно математически свести к модели одномерной цепочки квантовых спинов. В ней граница между противоположно направленными спинами соответствует заряду, а область одинаково ориентированных спинов, отличающаяся от окружающего состояния, соответствует участку струны.

Для эксперимента учёные использовали цепочку из 13 ионов иттербия-171. С помощью двух массивов лазеров исследователи могли независимо управлять взаимодействиями между ионами и эффективным магнитным полем для каждого из них. Это позволило создать в симуляторе два неподвижных заряда и связывающую их струну, а затем наблюдать её эволюцию во времени.

Сначала физики проверили, как ведёт себя отдельный заряд. При отсутствии натяжения струны он свободно распространялся вдоль цепочки. При увеличении натяжения движение подавлялось, а заряд начинал совершать локализованные когерентные колебания. Таким образом симулятор воспроизвёл одно из основных проявлений конфайнмента – ограничение движения заряда.

Затем исследователи перешли к изучению к разрыва струны. Они подготовили струну между двумя неподвижными зарядами и резко увеличили её натяжение и силу квантовых взаимодействий. Согласно одному из известных сценариев, связанному с механизмом Швингера, новые пары зарядов должны спонтанно возникать внутри струны. Однако эксперимент показал другую картину.

Новые пары преимущественно возникали возле концов струны – рядом с внешними зарядами. При небольшом натяжении они оставались около краёв и совершали колебания. Но с увеличением натяжения новые заряды начинали распространяться от краёв к центру, постепенно разрушая струну. При этом характерное время процесса сравнительно слабо зависело от параметров системы. Для механизма Швингера, напротив, скорость рождения пар должна очень сильно меняться при изменении этих параметров. Поэтому авторы заключили, что наблюдают другой механизм разрыва струны.

Расчёты исследователей показали возможную причину такого поведения. Из-за взаимодействия струны с окружающей областью энергетическая цена рождения пары зарядов оказывается минимальной возле её концов. Поэтому пары сначала возникают именно там, а затем при достаточном натяжении могут распространяться внутрь системы. Дополнительное численное моделирование показало, что этот эффект сохраняется и в случае, если окружающая струну область также становится динамической.

Пока это не означает, что такой же механизм действует при разрыве настоящих глюонных струн между кварками. Эксперимент проводился на упрощённой одномерной модели, а полноценная квантовая хромодинамика значительно сложнее. Однако авторы считают, что дальнейшие эксперименты с полностью динамическими струнами и движущимися зарядами позволят проверить, может ли обнаруженный механизм иметь значение для физики высоких энергий.

В перспективе подобные квантовые симуляторы могут использоваться для моделирования процессов фрагментации струн и образования адронов при столкновениях частиц – задач, которые пока чрезвычайно трудно рассчитать на классических компьютерах.