Цікавості

Всередині кожного протона кварки утримуються разом настільки дивною силою, що спроба їх розтягнути не звільняє частинки. Натомість енергія в «струні» між ними накопичується, поки вакууму не стає вигідніше породити нову пару кварк–антикварк, розриваючи зв’язок навпіл. Це явище, відоме як розрив струни, вважається ключовим для того, як речовина фрагментується під час високоенергетичних зіткнень частинок і як охолоджувався ранній Всесвіт після Великого вибуху. Тепер команда фізиків уперше простежила динаміку розриву струни покадрово на квантовому симуляторі — і виявила неочікуваний механізм народження частинок.Про роботу, опубліковану в журналі Nаturе Рhysісs, повідомляє видання Sсіеnmаg. Дослідження виконали Арінджой Де (Аrіnjоy Dе), Алессіо Лерозе (Аlеssіо Lеrоsе), Крістофер Монро (Сhrіstорhеr Моnrое) та їхні колеги з кількох університетів, зокрема Дюкського, Університету Меріленда, КU Lеuvеn та Саltесh.

Спрощена модель сильної взаємодії на іонному симуляторі

Замість прямого моделювання повної квантової хромодинаміки — теорії сильної взаємодії, що зв’язує кварки, — дослідники розглянули спрощену (1 1)-вимірну ґраткову калібрувальну теорію з дискретною симетрією Z2. Така «урізана» модель зберігає головну фізику конфайнменту (утримання зарядів разом), але є підконтрольною в лабораторії.Цю теорію можна точно відобразити на ланцюг квантових спінів, де колективна поведінка спінів кодує взаємодію між зарядами та струнами електричного поля, які їх з’єднують. У подвійному спіновому описі заряд у вихідній теорії з’являється як «злам» — пара сусідніх спінів, спрямованих у протилежні боки. Електричне поле відповідає локальній поляризації спіна, а сама струна поля — це ділянка спінів, що вказують вниз.Керуючи параметрами взаємодії спінів, дослідники могли налаштовувати ефективну масу частинок і короткодіючі взаємодії. Поздовжнє магнітне поле задавало натяг струни — енергію, що зберігається в одиниці довжини, а поперечне поле вводило квантові флуктуації, які дозволяють струнам розриватися і породжувати нові заряди. Незалежно змінюючи ці параметри, команда переводила систему між режимами домінуючого конфайнменту й режимами, де флуктуації руйнують струни.

Тринадцять іонів і «нескінченне» середовище

Експериментальна платформа складалася з тринадцяти іонів ітербію-171, утримуваних у мікрофабрикованій поверхневій пастці. Кожен іон реалізовував один спін у вигляді двох внутрішніх енергетичних рівнів.Вирішальну роль відіграв безпрецедентний рівень контролю. Дві накладені ґратки сильно сфокусованих лазерних променів з окремо програмованою амплітудою, фазою й частотою дозволили інженерити довгодійні взаємодії спін–спін, що експоненційно спадають з відстанню, одночасно задаючи різне магнітне поле для кожного іона окремо.Така поіонна керованість дала змогу реалізувати ключовий трюк: скінченний ланцюг із 13 іонів поводився так, ніби був вбудований у нескінченну систему з напівнескінченними статичними областями по обидва боки. Ці «віртуальні середовища» були необхідні, щоб формулювати фізично осмислені задачі.

Як ізольований заряд перестає поширюватися

Щоб дослідити ізольований заряд — об’єкт, який неможливо безпосередньо побачити у колайдері через те, що в природі окремі кварки не існують, — команда емулювала напівнескінченну статичну струну з одного боку досліджуваної ділянки та напівнескінченний вакуум з іншого. Заряд, «затиснутий» між ними, можна було спостерігати в динаміці.Якщо натяг струни дорівнював нулю, заряд розтікався по ґратці балістично з швидкістю, що чітко збігалася з теоретичними передбаченнями. Але коли натяг збільшували, відбувалося дещо вражаюче: поширення зупинялося, а заряд починав когерентно осцилювати біля початкового положення.Це явище аналогічне осциляціям Блоха: електрон у кристалі під дією сталого електричного поля не розганяється безмежно, а «відбивається» туди-сюди. Тут локалізація виникає, бо натяг струни задає стале прискорення заряду, однак на ґратці імпульс не може зростати нескінченно. Імпульс періодично циклює, а заряд коливається з просторовою амплітудою та часовим періодом, які експериментально збіглися з теоретичними оцінками навіть поза звичайною зоною застосовності цих наближень.Цей результат показав, що головний ефект конфайнменту — зупинка поширення зарядів і «фіксація» кінців струни на місці. Така картина раніше пропонувалася теоретично, але ніколи не спостерігалася з повною просторово-часовою роздільною здатністю.

Несподіваний механізм розриву струни

Центральною частиною роботи стало безпосереднє спостереження розриву струни. Дослідники підготували класичну струну між двома статичними зарядами, а потім різко збільшили натяг струни й силу квантових флуктуацій.Згідно з усталеними уявленнями, що беруть початок з робіт Джуліана Швінгера (Julіаn Sсhwіngеr) у 1950-х роках, розрив струни має відбуватися шляхом однорідного спонтанного народження пар зарядів усередині об’єму струни з надзвичайно чутливою до параметрів швидкістю процесу.Натомість команда побачила зовсім іншу картину. Пари зарядів з’являлися переважно на краях струни, біля статичних зарядів, і лише потім «просувалися» всередину. Такий крайовий, або еdgе-фасилітований, механізм стає інтуїтивно зрозумілим, якщо подивитися на енергетичний ландшафт: створити пару найменш енергетично затратно саме на краях, де сусідній вакуум частково компенсує «штраф» за народження частинок.Дослідники побудували пертурбативну теорію, яка показує, що після раптової зміни параметрів динаміка зводиться до двочастинкової квантової задачі. Єдина пара зарядів, народжена на одному з країв, рухається в ефективному потенціальному ландшафті. Зі зростанням натягу струни в цьому ландшафті відкриваються «канали» рівного потенціалу, що дозволяє парі квантовомеханічно тунелювати й дифундувати від країв углиб струни.Попри простоту, ця модель відтворювала головні риси експериментальних даних навіть за значень параметрів, де від неї не очікували кількісної точності. Додаткові числові симуляції підтвердили, що механізм зберігається і тоді, коли навколишній вакуум також дозволяють флуктувати динамічно, а не тримають статичним.

Далекі від рівноваги стани та перспективи для фізики частинок

Команда окремо перевірила, що спостережувана динаміка дійсно є перехідною, тобто передує термалізації системи. Порівнюючи виміряні профілі електричного поля з очікуваними в тепловій рівновазі (обчисленими з ансамблю Гіббса при температурі, визначеній внесеною енергією), вони показали, що «струнний» характер стану зберігався протягом усього часу спостереження. Струна розчинялася швидше за сильніших квантових флуктуацій, але система так і не встигала досягти повної рівноваги в межах експерименту.Уточнений показник — часозалежний розподіл ймовірності найбільшого «бульбашкового» домену вакууму в ланцюгу — дав додаткове непертурбативне підтвердження картини розриву від країв по всьому діапазону досліджених параметрів.Значення роботи виходить далеко за межі конкретної моделі. Стратегія емуляції пробних зарядів та віртуальних середовищ через керування окремими сайтами може бути перенесена на інші платформи квантової симуляції, включно з двовимірними йонними кристалами та масивами нейтральних атомів. Її можна поєднати з уже запропонованими схемами моделювання неабелевих і багатовимірних калібрувальних теорій, ближчих до Стандартної моделі.Майбутні експерименти з «розбігаючимися» парами пробних зарядів, що імітують фрагментацію розтягнутої струни в зіткненнях важких іонів, можуть з’ясувати, чи відіграє спостережений тут крайовий механізм роль у реальній фізиці частинок. Поки що ця робота є суттєвим кроком до давно бажаної мети — квантових симуляцій першопринципних процесів розриву струн і адронізації, які класичні комп’ютери, ймовірно, ніколи повністю не опишуть, але які дедалі краще розкривають квантові машини.Стаття Квантовий симулятор вперше простежив розрив струни частинок з'явилася спочатку на Цікавості.