Физики воссоздали процесс рождения материи 

Фото из открытых источников

Группа физиков из Университета Дьюка наблюдала, как «нить», соединяющая две заряженные частицы, растягивалась и разрывалась внутри квантового симулятора, порождая при этом новую материю — явление, ранее наблюдавшееся только внутри ускорителя частиц или в первые мгновения после Большого взрыва.

Кварки, мельчайшие известные строительные блоки материи, никогда не наблюдаются поодиночке. Они примерно в миллиард раз меньше атома и существуют только внутри более крупных частиц, таких как протоны и нейтроны — никто никогда не наблюдал их в изолированном состоянии.

У этой невозможности есть название — ограничение, и странное последствие: попытайтесь разделить два кварка, и вместо того, чтобы освободить их, вы в итоге создадите новые.

Это явление, известное как разрыв струны, теперь воспроизведено в квантовом симуляторе, созданном из захваченных ионов. Команда исследователей из Квантового центра Дьюка (DQC), разработавшая этот эксперимент, опубликовала результаты в журнале Nature Physics. По данным университета, это один из первых экспериментов такого рода в квантовой физике.

Проще всего объяснить это с помощью собственной аналогии исследователей. Два связанных кварка ведут себя как две заряженные частицы, соединенные натянутой струной. Они «хотят» оставаться вместе, поэтому для их разъединения требуется огромная энергия — и эта энергия не просто исчезает. Она накапливается в струне, которая, чем сильнее растягивается, тем больше становится натяжения.

В конечном итоге, накопленной энергии становится достаточно для создания совершенно новых частиц, поскольку масса и энергия взаимозаменяемы, согласно знаменитой формуле Эйнштейна E=mc². Струна обрывается, и вместо двух свободных кварков появляются две или более новых пар частиц.

В квантовой хромодинамике , теории, описывающей сильное ядерное взаимодействие , потенциальная энергия между кварком и антикварком неограниченно возрастает по мере увеличения расстояния между ними — до тех пор, пока не превысит удвоенную массу кварка и не вызовет образование новой пары.

Если провести более грубую аналогию, то нечто подобное происходит, когда вы ломаете магнит пополам: вы получаете не изолированный северный полюс и изолированный южный полюс, а два целых магнита, каждый с обоими полюсами.

Суть в том, что разрыв струны требует колоссальных затрат энергии. На практике это происходит только в экстремальных условиях: внутри Большого адронного коллайдера (БАК) в ЦЕРНе — кольца диаметром примерно 27 километров, расположенного на глубине от 50 до 175 метров под франко-швейцарской границей, — или в первые мгновения после Большого взрыва. В БАК физики сталкиваются тяжелыми ядрами, чтобы на долю секунды создать плазму из кварков и глюонов: своего рода «суп из частиц», призванный имитировать условия ранней Вселенной.

Вместо того чтобы увеличивать энергию, команда из Университета Дьюка уменьшила масштаб имитации. Квантовый симулятор — это устройство с высокой степенью управляемости, которое можно запрограммировать на воспроизведение реальных физических процессов на атомном или субатомном уровне. Вместо того чтобы физически разрывать цепочку кварков, исследователи создали систему, управляемую теми же уравнениями, и наблюдали за тем, что с ней происходит.

Команда закодировала модель разрыва нити в цепочку из 13 захваченных ионов иттербия-171. Используя точно настроенные лазерные лучи, они контролировали взаимодействие между ионами таким образом, чтобы имитировать растяжение нити и ее последующий разрыв. Каждый ион действовал как крошечный магнит — «спин», — состояние которого заменяло заряды и нити. (Физическая цепочка ионов фактически содержала 15 ионов; два иона на концах помогали удерживать цепочку, но не участвовали в самом моделировании.)

Предложенная модель представляет собой упрощенную замену реальной теории: калибровочная теория, ограниченная одним пространственным и одним временным измерениями, а не тремя пространственными измерениями физического мира. Это упрощение является стандартным приемом в данной области — оно сохраняет такие существенные особенности, как ограничение пространства, оставаясь при этом управляемым в лабораторных условиях. Авторы прямо заявляют, что моделирование полной теории квантовой хромодинамики остается за пределами возможностей любой современной квантовой платформы.

Подготовив систему вдали от состояния равновесия, команда отслеживала ее эволюцию во времени, наблюдая за появлением эффективных зарядов и восстанавливая динамику струны. Они сопоставили результаты с моделированием, проведенным на классическом компьютере, что подтвердило точность квантовых измерений.

Результаты исследований команды не полностью соответствовали теоретическим ожиданиям. Самопроизвольное образование пар частиц обычно объясняется так называемым механизмом Швингера, при котором пары появляются равномерно по всему материалу со скоростью, чрезвычайно чувствительной к параметрам системы.

На самом деле они увидели нечто иное. Зарядовые пары систематически формировались по краям струны, рядом с неподвижными зарядами, и распространялись внутрь, как только натяжение становилось достаточно высоким. При этом временные рамки этого процесса практически не менялись по мере изменения исследователями параметров системы — это противоположно чрезвычайной чувствительности, характерной для механизма Швингера.

Авторы приходят к выводу, что это особый путь к разрыву струны. Стоит отметить одно предостережение: в статье указывается, что традиционный механизм Швингера, который бы определял происходящее в более длительных временных масштабах, просто не мог быть обнаружен в рамках доступного для эксперимента временного окна. Эти два процесса не обязательно противоречат друг другу — они могут просто протекать в разных временных масштабах.

Результат, полученный в Университете Дьюка, не единственный. Две другие команды смоделировали то же явление на другом оборудовании. Одна использовала сверхпроводящие схемы в работе, возглавляемой Google; другая использовала нейтральные атомы в работе, возглавляемой QuEra Computing.

Группа исследователей из Google использовала двумерный массив сверхпроводящих кубитов для визуализации динамики заряда и струн в (2+1)-мерной калибровочной теории и наблюдала условие резонанса, облегчающее разрыв струны. Команда QuEra, работая с Университетом Инсбрука и Гарвардом, расположила несколько десятков атомов рубидия в геометрии кагоме — решетке из взаимосвязанных треугольников и шестиугольников — и также наблюдала разрыв струны, вызванный эффектом многочастичного резонанса.

Одно техническое различие бросается в глаза: оба эксперимента проводились в двух пространственных измерениях, в то время как эксперимент в Университете Дьюка — только в одном. Кристофер Монро, возглавлявший проект в Университете Дьюка, представил это сравнение как полезный ориентир для данной области: «Это три платформы, лидирующие в области квантовых вычислений, поэтому это хороший ориентир и сравнение для квантового сообщества».

Аринджой Де, первый автор статьи — бывший аспирант в лаборатории Монро, а ныне сотрудник QuEra Computing — сформулировал суть проблемы следующим образом: «Моделируя явления удержания кварков и разрыва струн в контролируемой лабораторной среде, мы открываем новые пути для экспериментальных исследований поведения материи на самом фундаментальном уровне».

Исследователи утверждают, что подобное моделирование открывает двери для более глубоких вопросов о Вселенной, в том числе о том, как материя эволюционировала после Большого взрыва. Зорех Давуди, доцент кафедры физики в Университете Мэриленда и член исследовательской группы, сказала: «Для физика невероятно интересно исследовать условия ранней Вселенной на вычислительном уровне, сопоставимом с атомным. Даже малейшие выводы, полученные с помощью модели неравновесной физики, помогут нам в будущем».

В конечном итоге, суть пари заключается в масштабе. Моделирование с участием 13 ионов все еще можно проверить на обычном компьютере — именно это и сделала команда для подтверждения своих результатов. Но по мере роста масштаба задачи, утверждают исследователи, только квантовые компьютеры смогут с ней справиться. Долгосрочная цель — создание симуляций, достаточно сложных, чтобы превзойти даже самые большие суперкомпьютеры.

Однако до полного понимания проблемы еще далеко. Сами авторы отмечают, что их модель представляет собой упрощение сильного ядерного взаимодействия, и что более реалистичные теории — с большим количеством измерений и более сложными симметриями — по-прежнему не могут быть смоделированы. Также неясно, будет ли наблюдаемый ими механизм разрушения, обусловленный краем, играть какую-либо роль в реальных космологических сценариях.