Физика высоких энергий: решёточные вычисления hep-lat

Два актёра на одной сцене. Один — фермион, капризный и требовательный, его трудно заставить играть по правилам квантового симулятора. Другой — бозон, покладистый и неприхотливый, готовый занять любое место. Режиссёр надеется, что зритель не заметит подмены.

Натянутая струна между двумя кварками не лопается мгновенно, как резиновая лента. Она сначала вибрирует, на ней возникают узлы, и лишь потом она рвётся — если вообще рвётся.

Физики задействовали квантовый симулятор — платформу, которая воспроизводит динамику заряженных частиц, — чтобы проследить их столкновения в режиме колоссальных энергий. Согласно Стандартной модели, фундаментальной теории микромира, система обязана была стремительно скатиться к хаосу, где энтропия, мера беспорядка, достигает максимума.

Вещество можно представить как дом. В одних комнатах царит строгий кристаллический порядок — каждый атом на своём месте, словно мебель по линеечке. В других — хаос сверхтекучего гелия, где атомы теряют память о соседях и текут без трения.

Расширение Вселенной подобно танцполу, который неумолимо растягивается вширь. Десятилетиями физики полагали, что чем сильнее растяжение, тем больше должно рождаться частиц — словно танцпол самопроизвольно порождает новых танцоров. Но эти модели упускали очевидное: танцоры иногда берутся за руки.

Нейтрино — самые неуловимые из известных частиц. Каждую секунду сквозь ваше тело пролетают триллионы нейтрино от Солнца, но вы этого не замечаете: они почти не взаимодействуют с веществом. Чтобы поймать хотя бы одно, физики строят гигантские детекторы — бассейны с водой или жидким аргоном глубоко под землёй.

Вода замерзает при нуле, а кипит при ста градусах. У вещества из кварков и глюонов тоже есть границы состояний, только вместо термометра здесь температура в миллионах электрон-вольт. Одна из таких границ — линия, где кварковый суп перестаёт быть супом и превращается в обычные протоны и нейтроны.

Электронный луч ударяет в протон, как бильярдный шар в другой шар. Но между ними не пустота: частицы успевают обменяться виртуальными фотонами и Z-бозонами, словно игроки, передающие мяч за спиной. Этот обмен слегка меняет траекторию рассеяния — и в нём прячется намёк на новую физику.

Квантовый компьютер из ионов в ловушке сыграл роль крошечной вселенной. В ней частицы не просто двигались, а сплетались в узлы, которые меняют свойства при обмене местами. Такие узлы называют фибоначчиевскими анионами — они не обычные частицы, а скорее вихри в ткани пространства.

Фи-мезон — частица, которая живёт всего мгновение, но может на короткое время прилипнуть к протонам и нейтронам в атомном ядре. Физики изучили, что будет, если такой мезон окажется внутри лёгких ядер гелия и водорода. Используя силы, рассчитанные из первых принципов (то есть без подгоночных параметров), авторы решили уравнения для систем из фи-мезона и трёх-четырёх нуклонов.

Свет и вещество в крошечном мире ведут себя по законам, которые трудно просчитать даже на суперкомпьютере. Физики строят специальные «квантовые тренажёры» — установки, где холодные атомы играют роль частиц и полей. Но до сих пор такие тренажёры могли изображать поле лишь в самом простом виде: как будто оно либо есть, либо нет. Настоящий же свет обладает бесконечным числом оттенков.

Обычный протон состоит из трёх кварков — как табуретка на трёх ножках. Но природа не запрещает собрать и «кресло» из четырёх кварков, если два из них — тяжёлые прелестные, а два — лёгкие. Такие частицы называют тетракварками, и до сих пор их изучали в основном на больших ускорителях, сталкивая частицы и разбирая обломки.

Протон — не цельный шарик. Внутри него кипит смесь из кварков и глюонов. Глюоны — это частицы, которые склеивают кварки, как клей склеивает деревяшки. Вопрос: сколько «веса» протона приходится на этот клей? Физики посчитали это на компьютере, разложив пространство и время на мелкую сетку. Стандартная модель описывает, как кварки и глюоны взаимодействуют.

Внутри протона кварки перетягиваются глюонами, как пружинками. Отпусти один кварк — пружинка натянется и лопнет, породив новый кварк. Так работает сильное взаимодействие, и просчитать его в реальном времени на обычном компьютере почти невозможно: вариантов слишком много, и все они переплетены. На сцену выходит квантовый компьютер.

Протон — не гладкий шарик, а клубок из кварков и глюонов, которые постоянно движутся и обмениваются энергией. Узнать, как именно распределены внутри него энергия, давление и спин, напрямую нельзя: измерения дают лишь редкие и зашумлённые точки. Это как пытаться угадать форму лица по нескольким размытым фотографиям с разных ракурсов.

Тяжёлый камень падает в пруд, и по воде расходятся круги с особым узором — по нему можно узнать, что скрывается под водой. Примерно так физики изучают распады частиц: редкие превращения, в которых тяжёлая частица вдруг становится лёгкой, испуская свет или пару заряженных частиц. В новой работе впервые рассчитан такой процесс для частицы под названием кси-барион — «тяжеловеса» из мира субатомных частиц.

Внутри каждого протона и нейтрона кипит невидимая работа: глюоны — частицы-переносчики сильного взаимодействия — склеивают кварки в единое целое. Это поле можно сравнить с резиновыми жгутами, которые не дают кваркам разлететься.

Вода в чайнике закипает при ста градусах, но если её сильно сжать, она поведёт себя иначе. Примерно так же кварки и глюоны — кирпичики, из которых сложены протоны и нейтроны, — меняют свои свойства в сильном магнитном поле.

Мюон похож на электрон, только в 200 раз тяжелее и живёт две миллионные доли секунды. Его магнитный момент — то, как частица откликается на магнитное поле, — измерен с фантастической точностью. Но измеренное значение чуть-чуть больше, чем предсказывает теория. Разница крошечная, как если бы, пересчитывая сдачу в магазине, вы находили лишнюю копейку каждый раз.

Тяжёлые частицы, которые физики называют барионами, похожи на крошечные семьи из трёх кварков. Обычные барионы — это протоны и нейтроны, из которых состоит всё вокруг. Но есть и экзотические родственники: в них вместо лёгких кварков живут очарованные или прелестные кварки — тяжёлые и недолговечные.

Если положить каон в электрическое поле, он слегка растянется, как воздушный шарик, который потёрли о шерсть. Этот отклик — электрическая поляризуемость — показывает, насколько жёстко устроена частица внутри. Для заряженного каона её измерили впервые, и число получилось таким: около одной десятитысячной доли объёма, занимаемого протоном.

Чтобы осмыслить, как из Большого взрыва возникла наблюдаемая Вселенная, физики опираются на концепцию расширения, предложенную Жоржем Леметром и формализованную в рамках преобразований Хендрика Лоренца.

Если попробовать разломить протон и вытащить из него кварк, вас ждёт сюрприз. Обычные силы, вроде электрической, слабеют, когда частицы разлетаются. А здесь — наоборот. Чем дальше кварк от своих соседей, тем сильнее его тянут обратно.

Вода в кастрюле закипает, и пузырьки пара появляются не где попало — они охотнее всего цепляются за царапины или пылинки на дне. В физике элементарных частиц работает похожий механизм: когда Вселенная остывает и переходит из одного состояния в другое, новая фаза часто рождается не в случайных точках, а на «дефектах» — неоднородностях, оставшихся от прежнего порядка.

Квантовый расчёт иногда напоминает переводчика, который отвлекается на каждый шорох в зале — и час совещания превращается в два. В физике такой «шорох» называют знаковой проблемой: она возникает, когда вероятности в формулах становятся отрицательными или комплексными, и обычные компьютерные симуляции начинают давать сбои. Особенно остро это проявляется в теориях с фермионами — частицами, из которых состоит вещество.

В раскалённом ядре звезды два ядра гелия сближаются, как два танцора на переполненной сцене. Их танец — альфа-рассеяние, основа звёздного горения гелия. От плавности их кружения зависит, как быстро звезда сжигает своё топливо. Раньше этот танец описывали упрощённо.

Электрический заряд не похож на число, выбитое на камне. В пустоте вокруг любой заряженной частицы постоянно рождаются и исчезают пары «частица-античастица» — это похоже на пену в бокале шампанского. Пузырьки экранируют истинный заряд, и на расстоянии он кажется меньше или больше — в зависимости от того, как близко мы подошли. Этот эффект называют бегущей константой связи.

Нейтрон — одна из самых нейтральных частиц в природе. Но если в законы физики добавить особый параметр (его называют тета-членом Стандартной модели), внутри нейтрона появляется крошечный перекос заряда. Один край становится чуть положительным, другой — чуть отрицательным. Такой перекос называют электрическим дипольным моментом.

Протон — не цельный шарик, а крохотная тюрьма. Внутри неё заперты три кварка, и вырваться им не даёт глюонное поле — что-то вроде невидимых нитей, которые становятся только крепче, если кварки пытаются разойтись.

Весы, способные взвесить невидимое, — именно так работает отношение распадов лёгких мезонов (пиона и каона) на электроны и мюоны. Если природа подчиняется одним и тем же правилам для всех поколений частиц, чаши этих весов показывают строго определённое число. Но стоит где-то затаиться неизвестной силе — стрелка дрогнет.

Квантовый компьютер — устройство, использующее квантовые биты, или кубиты, которые могут находиться в суперпозиции состояний, — обычно работает как конвейер: операции идут одна за другой, и каждая ошибка накапливается. В новой работе физики опробовали иной путь — архитектуру, где вычисление вырастает из самого процесса измерения.

Обычный лёд превращается в воду при нуле градусов Цельсия. А вещество ядерной плотности — кварк-глюонная плазма — испытывает нечто похожее при температуре около 155 МэВ (примерно два триллиона градусов). Только здесь плавится не кристаллическая решётка, а так называемый кварковый конденсат — вакуумное море, придающее частицам массу.

Кварки — фундаментальные строительные блоки протонов и нейтронов — обычно собираются в пары (мезоны) или тройки (барионы). Но иногда они образуют более крупные и нестабильные комбинации, которые живут крошечные доли секунды. Две такие частицы, Bs0* и Bs1, долго оставались загадкой: расчёты намекали, что они должны быть связанными состояниями, но точность не позволяла сказать это уверенно.

Переводчик, который раньше ловил лишь обрывки фраз, теперь слышит весь разговор целиком. Так и физики, изучающие сильные взаимодействия, долго не могли рассчитать, как две частицы откликаются на удар света, если они не образуют стабильного ядра. В новой работе впервые удалось довести расчёт до конца: от короткоживущей пары пионов до величины, которую можно сравнить с точным правилом сохранения заряда.