FAQ: Вакуум как дуальный сверхпроводник

Элементарные частицы, участвующие в сильных взаимодействиях, называются кварками (антикварками). В настоящее время на экспериментах обнаружено 6 различных кварков. Взаимодействие, которое держит кварки вместе внутри адронов (внутри протона, нейтрона, пи-мезона и др.), и называется сильным взаимодействием. Сильное взаимодействие проявляет себя на характерных масштабах — ~10–13 см (размер протона). А на расстояниях, значительно больших 10–13 см, сильное взаимодействие практически никак не проявляется. Исходя из современных представлений о теории сильных взаимодействий, можно оценить силу, с которой притягиваются кварк и антикварк на расстоянии 10–13 см. Эта сила равна ~16 000 Н. Такая колоссальная сила действует на очень маленьком расстоянии, что оправдывает название «сильное».

1. Квантовая хромодинамика

Теоретическое строение теории сильных взаимодействий чем-то похоже на теорию электромагнитных явлений (электродинамика). Напомним, что в электродинамике взаимодействуют частицы, которые имеют электромагнитный заряд. А взаимодействие переносится фотонами, которые электромагнитного заряда не переносят и не имеют заряда. В хромодинамике кварки могут иметь три различных заряда сильных взаимодействий (говорят «цветовые заряды»). Они условно называются цветами (красный, зеленый и желтый). Когда говорят «кварк красный», это означает, что он несет особый заряд, отличный от зеленого и желтого зарядов.

Название «хромодинамика» дословно переводится как динамика цветных зарядов. Переносится сильное взаимодействие глюонами, которых всего 8 различных типов. В отличие от фотонов глюоны переносят цветовой заряд и сами являются заряженными. Как следствие существования цветового заряда глюоны могут взаимодействовать между собой, что делает теорию сильных взаимодействий нелинейной и очень сложной для теоретического описания. Можно сказать, что в нелинейности теории основная сложность при описании сильных взаимодействий.

2. Явление асимптотической свободы

Как уже отмечалось, теория сильных взаимодействий похожа на электродинамику. Особенно это становится заметным на малых расстояниях, где кварк и антикварк начинают взаимодействовать по закону Кулона. Согласно современным представлениям квантовой теории поля цветовой заряд, с которым взаимодействуют кварки, зависит от расстояния между ними. Это явление в квантовой теории поля называется бегущей константой связи. В электродинамике чем ближе заряды друг к другу, тем сильнее они становятся. То есть сила взаимодействия увеличивается по мере приближения зарядов друг к другу.

Это свойство заряда распространено в большинстве теорий. Уникальность теории сильных взаимодействий состоит в том, что цветовой заряд кварков уменьшается по мере приближения кварков друг к другу. Эта особенность напрямую связана с уже упомянутым фактом: глюоны имеют цветовой заряд и взаимодействуют между собой. В теории сильных взаимодействий чем ближе кварки друг к другу, тем слабее они взаимодействуют. Или в пределе нулевого расстояния между кварками они становятся «свободными». Это явление в теории сильных взаимодействий называется асимптотической свободой. За его открытие в 2004 году физикам Дэвиду Гроссу, Дэвиду Политцеру и Фрэнку Вильчеку была присвоена Нобелевская премия.

3. Гипотеза конфайнмента

Долгое время основной проблемой теории сильных взаимодействий было отсутствие экспериментального обнаружения кварков. То есть в экспериментах, благодаря явлению асимптотической свободы, кварки проявляли себя на малых расстояниях как квазисвободные частицы. Однако разделить протон, то есть увести кварки на большое расстояние друг от друга, на три кварка не получалось. Гипотеза конфайнмента как раз объясняет, почему этого нельзя сделать. Согласно этой гипотезе на больших расстояниях между кварком и антикварком действует постоянная сила притяжения ~ 16 000 Н. То есть для того, чтобы увести кварк на бесконечное расстояние (что и означает выделение кварка на эксперименте), нужна бесконечная энергия. К сожалению, аналитического доказательства гипотезы конфайнмента пока не существует. Более того, аналитическое доказательство гипотезы конфайнмента является одной из семи «задач тысячелетия», объявленных Математическим институтом Клэя.

4. Теория сильных взаимодействий на решетке

Несмотря на отсутствие аналитического описания теории сильных взаимодействий, в настоящее время существует метод изучения этой теории. Этот метод называется компьютерным моделированием квантовой хромодинамики на решетке. Метод основан на первопринципах и не использует каких-либо упрощений теории сильных взаимодействий. А учитывая развитие современной вычислительной техники, моделирование теории сильных взаимодействий на решетке является самым мощным методом исследований в этой области.

Основой метода является тот факт, что теория сильных взаимодействий может быть представлена как многомерный интеграл, который может быть вычислен специальными методами на современных суперкомпьютерах. Стоит отметить, что на современных суперкомпьютерах в рамках моделирования квантовой хромодинамики вычисляются интегралы в пространстве с количеством измерений порядка ~10^6. В рамках метода моделирования квантовой хромодинамики на решетке гипотеза конфайнмента подтверждается. На рисунках представлены результаты вычислений напряженности цветовых полей для кварк-антикварковой пары (модель мезона) и для трех кварков (модель протона). Стоит отметить, что М. И. Поликарповым в России основана научная группа, занимающая лидирующие позиции в этой области.

5. Модель, объясняющая конфайнмент

Моделирование теории сильных взаимодействий не только подтверждает гипотезу конфайнмента с помощью вычислений на суперкомпьютерах, но и предлагает модель, приводящую к появлению конфайнмента. Согласно этой модели вакуум рассматривается как дуальный сверхпроводник. «Дуальный» означает, что электрические поля и заряды в обычном сверхпроводнике должны в дуальном сверхпроводнике превратиться в цветные магнитные поля и заряды, а магнитные поля — в цветные электрические. Если вакуум — сверхпроводник второго рода, тогда, согласно дуальному эффекту Мейснера, цветное электрическое поле не может распространяться во все пространство. Цветное электрическое поле стягивается в тонкую трубку, струну, в которой находится весь поток этого поля (на рисунке напряженности цветных полей между кварк-антикварковой парой это хорошо видно). Если площадь трубки не меняется с расстоянием, то, по теореме Гаусса, напряженность поля вдоль трубки постоянная, что приводит к постоянной силе, действующей между кварками, то есть подтверждает гипотезу конфайнмента.