Квантовый симулятор воспроизвёл рождение пар частиц

Физики с помощью 13 ионов воспроизвели процесс, похожий на рождение частиц при разрыве связи между кварками. Эксперимент показал, где сначала возникают новые заряды и как они движутся. Результаты опубликованы в Nature Physics.

Чтобы понять происходящее внутри протона, физикам приходится иметь дело с силой, которая ведёт себя не так, как привычное притяжение электрических зарядов. Кварки невозможно просто разнести на большое расстояние и получить два свободных объекта. Между ними действует сильное взаимодействие, которое условно представляют натянутой струной. Чем дальше расходятся кварки, тем больше энергии в ней накапливается. В какой-то момент этой энергии хватает на образование новой пары — кварка и антикварка. Прежняя связь распадается, а её участники оказываются в новых связанных сочетаниях.

Настоящую струну в лаборатории не увидишь: это образ для описания поля между частицами. Её поведение особенно трудно проследить во времени — математическая задача быстро усложняется из-за множества взаимодействующих квантовых состояний. Международная команда под руководством физиков Duke Quantum Center использовала другой подход: заставила небольшую управляемую квантовую систему подчиняться похожим правилам.

Исследователи выстроили в ловушке цепочку из 13 ионов иттербия. Лазерные лучи позволяли задавать взаимодействие между ними и менять его для отдельных участков. Два возможных внутренних состояния иона представляли элементы упрощённой модели поля, а изменения в цепочке — эффективные заряды. Реальных кварков или новых элементарных частиц при этом не возникало: ионы воспроизводили математическую динамику, которая интересует физиков высоких энергий.

Сначала в модели появился одиночный заряд. Когда натяжение условной струны отсутствовало, он свободно распространялся по цепочке. По мере увеличения натяжения движение ограничивалось: заряд начинал колебаться вблизи своей исходной области. Так команда проверила, что устройство действительно воспроизводит удержание зарядов — конфайнмент.

Затем между двумя неподвижными зарядами подготовили состояние, соответствующее протянутой струне, и резко увеличили её натяжение. Исследователи отслеживали происходящее на разных участках цепочки по мере развития процесса. Новые пары эффективных зарядов появлялись прежде всего возле концов струны, а при более сильном натяжении распространялись от краёв к середине. Экспериментальные измерения согласовались с расчётами на обычном компьютере.

Это важная деталь. В одной из привычных теоретических картин парное рождение частиц связывают с механизмом Швингера: пары возникают в сильном поле внутри области между зарядами. В данной упрощённой модели наблюдался другой путь — зарождение у границ с последующим движением внутрь. Авторы рассматривают результат как новый способ изучать динамику разрыва струны, а не как универсальное описание всех процессов внутри настоящих протонов.

Работа опубликована 23 сентября в Nature Physics. В ней использована одномерная решёточная модель с одной временной координатой и калибровочной симметрией Z₂. Она гораздо проще квантовой хромодинамики, описывающей сильное взаимодействие в нашем трёхмерном пространстве. Однако именно благодаря этой простоте удалось наблюдать отдельные этапы процесса и сопоставлять эксперимент с теорией.

Разрыв струны интересен не только специалистам по устройству атомного ядра. Образование новых частиц из энергии взаимодействия связано с тем, что происходит при столкновениях частиц на ускорителях. Похожие задачи возникают при изучении ранней Вселенной, когда вещество находилось в экстремальных условиях. Пока же речь не о воспроизведении Большого взрыва, а о контролируемом эксперименте с одной из физических моделей.

На 13 ионах результаты ещё можно проверить классическими расчётами. Преимущество квантовых симуляторов должно проявиться при увеличении числа управляемых элементов, когда прямое моделирование множества квантовых состояний становится слишком затратным. Следующий шаг — более сложные модели, в которых смогут двигаться и внешние заряды, а условия будут ближе к столкновениям настоящих частиц.

Ионы в ловушке не превратились в новые частицы, но позволили увидеть их математический аналог в движении — от появления пар у концов струны до распространения внутрь. Именно возможность следить за таким процессом по шагам делает эксперимент полезным для физики, где прямое наблюдение и расчёт пока одинаково трудны.

Фото: редакция ИЗНАНКИ.