Физики из Германии и США показали, что легкие частицы — так называемые «адские снежки» — рождаются в столкновениях тяжелых ионов за счет объединения нуклонов на поздних стадиях столкновения, а не за счет «вымерзания». Для этого ученые рассмотрели обе теории и показали, что приближения второй теории не выполняются, хотя она согласуется с экспериментом. Статья опубликована в Physical Review C и находится в открытом доступе, кратко о ней сообщает Physics.
В 2016 году группа ALICE опубликовала данные о столкновениях ядер свинца, разогнанных на Большом адронном коллайдере до энергии 2,76 тераэлектронвольт. Неожиданно ученые обнаружили, что в таких столкновениях рождаются легкие ядра — дейтроны, тритоны и альфа-частицы. Казалось бы, этот результат противоречит существующим теоретическим моделям: энергия связи легких ядер находится на уровне нескольких мегаэлектронвольт, тогда как температура кварк-глюонной плазмы, образующейся при столкновениях высокоэнергетических ядер, в сотни раз превышает это значение. Проще говоря, легкие ядра попросту должны «расплавиться» и распасться на отдельные нуклоны. Поэтому физики называют их «адскими снежками» («snowballs in hell» — в английском языке эта идиома означает что-то крайне маловероятное).
В настоящее время существует две основные теории, которые объясняют формирование «адских снежков». Первая теория предполагает, что выше некоторой температуры TCFO система, образовавшаяся после столкновения ионов, находится в химическом равновесии, однако при падении температуры все адроны резко замораживаются. При температуре TCFO ≈ 155 мегаэлектронвольт эта теория хорошо описывает экспериментальные данные. Вторая теория постулирует, что легкие ядра рождаются только на поздних стадиях столкновения, когда нуклонам, близко расположенным в фазовом пространстве, выгодно объединиться в легкое ядро. Эта теория предсказывает, что спектр образовавшихся легких ядер будет пропорционален определенным степеням спектров протонов и нейтронов, поэтому теоретически эту теорию можно проверить, сравнивая число ядер с разным соотношением между протонами и нейтронами. К сожалению, до сих пор такой эксперимент поставлен не был.
Группа физиков под руководством Дмитрия Олийниченко (Dmytro Oliinychenko) построила уточненную теоретическую модель и показала, что второе объяснение более правдоподобно. Для этого ученые использовали гибридный подход, то есть одновременно учитывали уравнения релятивистской гидродинамики и неравновесного переноса адронов. Чтобы точнее рассчитать спектр рождающихся дейтронов, ученые приблизили их точечными частицами, которые рождаются в гидродинамической фазе и в дальнейшем могут сталкиваться и рассеиваться на других частицах в адронной фазе. В предыдущих статьях ученые оценивали спектр этих частиц, объединяя спектры конечных нуклонов, или же рассматривали области низких энергий.
Вообще говоря, из гибридного подхода, который использовали физики, могут следовать обе теории. С одной стороны, первая теория следует из неравновесного переноса, если предположить, что в системе быстро устанавливается химическое равновесие, а адроны и легкие ядра быстро «замерзают» около гиперповерхности с постоянной температурой. С другой стороны, если дейтроны в основном производятся за счет уравновешенных реакций Xnp ↔ Xd (где X — произвольный адрон), из гибридного подхода следует вторая теория.
Однако расчеты ученых показали, что на практике предположения, из которых следует первая теория, не выполняются: дейтроны «замерзают» гораздо позже, чем более тяжелые адроны. Это связано с тем, что сечение неупругого рассеяния дейтронов на нуклонах превышает сечение упругого рассеяния (как правило, это соотношение развернуто в обратную сторону). Поэтому ученые считают, что основную роль в образовании дейтронов играют реакции πpn ↔ πd, имеющие большое сечение и стремящиеся привести дейтроны к равновесию. При этом не важно, успели они термализоваться в гидродинамической фазе или нет.
В частности, по этой причине даже «неправильная» теория хорошо согласуется с экспериментом, хотя необходимые для нее предположения не выполняются. Ученые объясняют этот результат следующим образом. С одной стороны, в адронной фазе число дейтронов растет за счет реакций πpn ↔ πd. С другой стороны, из-за аннигиляций B-мезонов и антимезонов число нуклонов в системе уменьшается, а вместе с ними падает и число дейтронов. Если дейтроны термализовались, в среднем эти реакции на их числе не сказываются; в противном случае, они стремятся его выровнять. В результате получается, что для этой теории неважно, термализовались дейтроны одновременно с остальными адронами или сильно позже.
В принципе, проверить последнее предположение можно на практике, наблюдая за рождением дейтронов в столкновениях тяжелых элементов на более низких энергиях. Если расчеты ученых верны, в этих реакциях число дейтронов будет превышать ожидаемое равновесное значение, поскольку время, за которое система успеет охладиться, будет меньше, чем время термализации. Для энергий порядка 2,76 электронвольт, с которыми работала группа ALICE, обе теории предсказывают правдоподобное значение.
На самом деле, основной задачей Большого адронного коллайдера является изучение столкновений протонов, на которых ускоритель достигает максимальной энергии. Поэтому эксперименты с тяжелыми ионами на нем проводят в течение всего нескольких недель в год. Более того, специализированные ускорители, целенаправленно изучающие столкновения тяжелых ионов, даже в чем-то превосходят БАК. В частности, один из таких коллайдеров, NICA, в настоящее время строится в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне. Физики надеются, что к 2021 году NICA уже будет работать на полную мощность. В марте прошлого года ученые уже запустили суперкомпьютер «Говорун», который будет обрабатывать данные с коллайдера. Прочитать об этом суперкомпьютере можно в материале «Петафлопс ума и сообразительности».
Дмитрий Трунин
В будущем это позволит проводить масштабные квантовые симуляции
Немецкие физики продемонстрировали технологию создания трехмерных оптических решеток на основе эффекта Тальбота. Он заключается в формировании волнового паттерна — «ковра» — сразу за дифракционной решеткой, в котором изображение щелей периодически повторяется. Таким способом ученым удалось загрузить более десяти тысяч атомов в бездефектную трехмерную решетку и продемонстрировать в ней адресную работу с атомами. Исследование опубликовано в Physical Review Letters. Пленение атомов светом сделало возможным прорывы в самых различных областях физики: от ультрахолодной химии и физики квантовых газов до квантовых вычислений и атомных часов. Подробнее о том, как работает эта технология в оптических пинцетах, мы рассказывали в материале «Скальпель и пинцет». Ряд задач требует пленения сразу большого числа атомов. Наиболее частым способом сделать это стали двумерные оптические решетки. Их формируют либо на пересечении стоячих волн, ориентированных под углом друг к другу, либо создавая систему оптических пинцетов из одного луча с помощью акустооптических модуляторов или металинз. Выход в третье измерение станет главным путем масштабирования технологий на основе пленения множества атомов. Физики умеют создавать трехмерные решетки с помощью скрещивания трех пар лазерных лучей. Ранее это позволило увеличить точность атомных часов. Но пока это технология довольно сложная и допускает малую вариативность параметров решетки. Мальте Шлоссер и его коллеги из Дармштадтского технического университета предложили новый подход к созданию трехмерных оптических решеток. Он основан на явлении, которое носит название эффект или «ковер» Тальбота. Он возникает непосредственно за дифракционной решеткой (то есть, в ближнем поле) после того, как на нее падает плоская волна, и представляет собой сложный фрактальный паттерн из областей повышенной и пониженной интенсивности. Важно при этом, что изображение щелей повторяется на расстояниях, равных полуцелому числу длины Тальбота. В какой-то момент, определяемый шириной дифракционной решетки, «ковер» заканчивается, и лучи расходятся в дальнее поле согласно теории Фраунгофера. Идея авторов заключается в том, чтобы загружать атомы в эти дополнительные слои с массивами световых пятен. При реализации этой идеи физики заменили дифракционную решетку двумерным массивом микролинз размером 166×166 штук и периодом 30 микрометров и облучали его светом титан-сапфирового лазера с длиной волны 796,3 нанометра. После прохождения массива микролинз свет попадал в обычную оптику, с помощью которой авторы настраивали параметры «ковра». В их опыте период решетки был равен 10 микрометрам, а расстояние между слоями — 133 микрометрам. Затем ученые загружали в получившуюся решетку охлажденные атомы рубидия-85. Атомы захватывались в узлы с вероятностью 60 процентов, поэтому физикам потребовался дополнительный пинцет, чтобы расставить атомы в бездефектные массивы в каждом слое. В результате им удалось получить 17 таких слоев по 777 атомов в каждом. Физики исследовали возможность масштабирования получившихся решеток. Они выяснили, что общее число атомов, которое можно будет пленить таким способом, может быть доведено до ста тысяч, если увеличить мощность лазера всего в пять раз. Помимо этого авторы продемонстрировали возможности адресации атомов, выстроив их в антиферромагнитный порядок по спину, а также решетки с более сложной геометрией. Предложенная физиками технология в перспективе способна масштабировать квантовые компьютеры и квантовые симуляторы на основе ридберговских атомов. Для этого им нужно будет придумать, как сократить расстояние между слоями, сделав его сопоставимым с периодом внутри слоя. Квантовыми симуляциями на плененных ридберговских атомах занимается группа Лукина, которая изготовила 256-кубитный квантовый симулятор. Подробнее об их работе мы рассказывали в материале «Пятьдесят кубитов и еще один».