Притяжение кварка и антикварка ослабло в сильном магнитном поле

Используя решеточную модель квантовой хромодинамики итальянские теорфизики выяснили, что натяжение струны между парой кварк-антикварк уменьшается на порядок при наложении магнитного поля порядка девяти гигаэлектронвольт в квадрате вдоль оси частиц. Если это же поле включить перпендикулярно оси частиц, натяжение увеличивается в полтора раза, достигая насыщения. При этом трубка глюонного поля между частицами расширяется и сжимается, теряя цилиндрическую симметрию. Дальнейшие исследования в случае более сильных магнитных полей могут выявить критическое значение поля, при котором натяжение между кварками вовсе исчезает, пишут ученые в Physical Review D.

Кварки — элементарные составляющие адронов — при помощи глюонов участвуют в сильном взаимодействии, а квантовая хромодинамика (КХД) — калибровочная теория, которая эти взаимодействия описывает. В этой теории кварки несут один из трех цветовых зарядов, а глюоны этот заряд могут менять. Долгое время явные вычисления в КХД можно было делать только в приближении слабой связи, то есть в области высоких энергий частиц, поскольку иначе теория перестает быть непрерывной. Чтобы избежать последнего, Кеннет Вильсон (Kenneth Wilson) предложил заменить пространство-время дискретной решеткой точек, а калибровочно-инвариантные переменные построить с помощью натянутых на узлы решетки петель, названных в его честь.

В полученной приближенной теории можно наблюдать конфайнмент кварков: в свободном виде существуют лишь бесцветные комбинации кварков — мезоны (кварк-антикварк) и барионы (три кварка разных цветов). Попытки разделить мезон на кварк и антикварк приводят к образованию между частицами трубки хромоэлектрического потока (струны). Поскольку эта трубка имеет постоянную плотность энергии и радиус, энергия, необходимая для разнесения частиц растет как расстояние между ними. По мере увеличения расстояния глюонному полю становится выгодно породить пару кварк-антикварк, которая образует с исходными частицами два мезона — процесс, называемый адронизацией.

Однако ученые сомневаются в том, что кварки всегда подвержены конфайнменту. Исследование 2016 года показало, что наложение магнитного поля в один гигаэлектронвольт в квадрате (порядка 26 тысяч тератесла) уменьшает притяжение между парой кварк-антикварк на 15 процентов. Экстраполируя этот результат на более сильные поля, авторы предположили существование критического поля выше четырех гигаэлектронвольт в квадрате (порядка ста тысяч тератесла), при котором притяжение полностью исчезает и возникает новая форма сильновзаимодействующей материи. И хотя ученые никогда напрямую не детектировали такие высокие поля (максимум в один тератесла наблюдался на пульсаре GRO J1008-57), согласно множеству теоретических исследований, магнитные поля порядка одного гигаэлектронвольт в квадрате могут рождаться при нецентральном столкновении ионов свинца на Большом адронном коллайдере.

Авторы статьи не могли изучить эффект при более сильных магнитных полях с помощью уже имевшейся модели, поскольку в решеточной КХД увеличение магнитного поля требует уменьшения периода решетки, чтобы систематические погрешности при дискретизации были приемлемыми. Более точную модель воссоздали физики из Италии, среди которых был один из авторов предыдущего исследования Франческо Санфилиппо (Francesco Sanfilippo) из Национального института ядерных исследований. В работе исследовались масштабы решетки вплоть до 0,057 фемтометров (вдвое меньше, чем в последнем исследовании), что позволило ученым рассматривать магнитные поля до десяти гигаэлектронвольт в квадрате.

Для изучения влияния сверхсильных магнитных полей на натяжение струны между парой кварк-антикварк физики направляли магнитное поле вдоль и перпендикулярно оси частиц, которая в теории отвечала некоторому направлению в плоскости петли Вильсона. В результате вычислений методом Монте-Карло ученые получили зависимости статического потенциала между частицами, а затем и натяжения струны (коэффициент при расстоянии между частицами в потенциале) от значений магнитного поля и его направления. Вопреки ожиданиям, натяжение струны вдоль магнитного поля не занулилось ни при 4, ни даже при 9 гигаэлектронвольтах в квадрате, хотя и сильно приблизилось к нулю, упав на порядок по сравнению с отсутствием поля. Когда же магнитное поле располагалось перпендикулярно оси частиц, натяжение увеличивалось, но достигало насыщения при величине в полтора раза выше значения без поля.

Другой важной составляющей исследования был анализ формы трубки хромоэлектрического потока в сверхсильном магнитном поле. Для этого над центром петли Вильсона на расстоянии х добавили связанный с ней пробный контур, который позволял измерять поле трубки на расстоянии x от центра оси частиц. Ученые изучили три различных взаимных расположения магнитного поля, оси частиц и оси, проходящей через центры пробного контура и петли Вильсона (ось ρ). Оказалось, что с увеличением магнитного поля, направленного вдоль оси частиц, продольная компонента цветного поля монотонно уменьшается. Если магнитное поле расположить поперек оси частиц, при четырех гигаэлектронвольт в квадрате хромоэлектрическое поле растет во всех направлениях, а при девяти гигаэлектронвольт теряет цилиндрическую симметрию, вытягиваясь по направлению магнитного поля.

Авторы полагают, что критическое магнитное поле, при котором натяжение струны между кварком и антикварком может исчезнуть, находится не так далеко от изученных в этой работе значений, поскольку величина натяжения струны при девяти гигаэлектронвольтах в квадрате отличалась от нуля лишь на два среднеквадратических отклонения. Но для получения точного результата потребуются модели решеточной КХД с меньшим периодом решетки, в связи с чем авторы планируют дальнейшие исследования.

Для того чтобы исследовать решеточную хромодинамику как в работе итальянцев, а именно модель с 48^3×96 узлами решетки, суперкомпьютер незаменим. Но каким бы мощным не был классический компьютер, такие фундаментальные явления как проблема знака не позволяют им описывать многие другие явления квантового мира, включая динамику частиц в реальном времени и сильно запутанную материю. В теории с этой задачей может справиться квантовое моделирование. Первые шаги в осуществлении этой задачи на практике сделали физики из Канады: ученые успешно использовали квантовый компьютер для вычисления масс легчайших адронов в двумерной решеточной КХД и надеются, что совершенствование квантовых компьютеров позволит в скором времени изучать и полноценную четырехмерную модель.

Елизавета Чистякова