Физики смоделировали разрыв кварковой струны и получили неожиданный результат

Физики воспроизвели на квантовом симуляторе процесс, напоминающий разрыв силовой «струны» между кварком и антикварком, и обнаружили неожиданный механизм образования новых частиц. В эксперименте пары эффективных зарядов возникали прежде всего возле концов струны, а при достаточно большом натяжении распространялись от краёв к центру. Такое поведение отличается от классической картины эффекта Швингера, при которой пары рождаются непосредственно во всём объёме сильного поля.

Исследование провела международная группа под руководством специалистов Duke Quantum Center. Для эксперимента учёные использовали программируемый квантовый симулятор на захваченных ионах иттербия-171. Установка содержала линейную цепочку из 15 ионов, из которых 13 центральных непосредственно участвовали в моделировании. Их квантовыми состояниями и взаимодействиями управляли с помощью точно настроенных лазерных лучей.

Работа связана с одной из фундаментальных особенностей сильного взаимодействия — конфайнментом кварков. Кварки не наблюдаются по отдельности, а входят в состав адронов, например протонов и нейтронов. Упрощённо взаимодействие кварка и антикварка можно представить как натянутую между ними силовую струну, образованную глюонным полем.

В отличие от обычного электрического взаимодействия, энергия такой системы возрастает по мере увеличения расстояния между кварками. Когда накопленной энергии становится достаточно, энергетически выгоднее создать новую пару кварк — антикварк. Исходная струна при этом фрагментируется. Подобные процессы имеют значение для превращения кварков и глюонов в наблюдаемые частицы при высокоэнергетических столкновениях.

Рассчитать происходящее в реальном времени непосредственно в полной квантовой хромодинамике чрезвычайно сложно. По мере развития системы возникает сильная квантовая запутанность, из-за которой требования к классическим вычислениям быстро растут. Поэтому авторы использовали гораздо более простую одномерную калибровочную модель Z₂, которая сохраняет такие необходимые свойства, как заряды, силовые струны и конфайнмент, но доступна современному квантовому симулятору.

Эту теорию исследователи преобразовали в эквивалентную модель квантовых спинов. Эффективный заряд в ней представлялся границей между участками ионов с различной ориентацией спинов, а струна — областью со спинами определённого направления. Управляя лазерами, физики могли менять взаимодействия между ионами и тем самым регулировать аналог натяжения струны.

Сначала учёные проверили движение одиночного эффективного заряда. При практически отсутствующем натяжении струны он свободно распространялся по цепочке. С увеличением натяжения заряд становился локализованным и совершал когерентные колебания в ограниченной области. Это подтвердило, что симулятор воспроизводит необходимый режим конфайнмента.

Затем исследователи подготовили струну между двумя неподвижными эффективными зарядами и резко изменили параметры системы, увеличив её натяжение. Симулятор позволил проследить распределение зарядов во времени буквально по отдельным участкам цепочки.

Именно на этом этапе обнаружилось неожиданное поведение. Новые пары зарядов систематически появлялись возле двух концов струны. При небольшом натяжении они оставались около краёв и совершали квантовые колебания. Когда натяжение увеличивали, образовавшиеся пары начинали распространяться внутрь системы. В результате разрыв струны развивался от её границ к центральной области.

Теоретический анализ показал, почему возникает такой эффект. После резкого изменения параметров система переходит в квантовую суперпозицию состояний с парами зарядов в разных местах. Энергетическая стоимость появления пары оказывается минимальной возле концов струны из-за взаимодействия с окружающей областью. Поэтому именно там вероятность образования эффективных частиц первоначально максимальна.

Дальнейшее движение зависит от натяжения. При более сильном конфайнменте для возникших возле краёв пар открываются энергетически доступные пути, позволяющие им квантово распространяться к центру. Численные расчёты воспроизвели тот же характер движения, который исследователи наблюдали непосредственно на квантовом симуляторе.

Этот механизм отличается от эффекта Швингера — известного квантово-полевого процесса рождения пар частиц и античастиц в сильном поле. В обычной картине Швингера пары могут появляться по всему объёму поля, а скорость их рождения резко зависит от его интенсивности. В новом эксперименте образование пар начиналось преимущественно на границах струны, причём время появления эффекта значительно слабее зависело от изменяемых параметров. Авторы поэтому относят наблюдавшийся процесс к другому, нехарактерному для стандартной картины механизму динамического разрыва струны.

Результат не означает, что такой же краевой механизм уже обнаружен у настоящих кварков. Эксперимент проводился с 13 эффективными квантовыми спинами в одномерной Z₂-модели, тогда как сильное взаимодействие в природе описывается значительно более сложной квантовой хромодинамикой в трёх пространственных измерениях. Авторы рассматривают эксперимент как способ изучать отдельные фундаментальные черты калибровочных теорий в системе, которую можно полностью контролировать и наблюдать во времени.

Следующим шагом могут стать эксперименты с движущимися внешними зарядами и полностью динамическими струнами. Исследователи также предлагают переходить к более сложным калибровочным моделям и двумерным квантовым системам. Это позволит проверить, сохраняется ли обнаруженный краевой механизм в условиях, более близких к физике элементарных частиц.

Такие квантовые симуляции в перспективе могут дополнить классические расчёты процессов, происходящих при столкновениях частиц высоких энергий и в горячей материи ранней Вселенной. Однако до полноценного квантового моделирования квантовой хромодинамики существующим устройствам ещё далеко.

Исследование опубликовано в журнале Nature Physics.