Стоте дрехи на чармония: „луковата“ структура на мезона изненада учените

А този, който го „съблече“, ще открие тайните на Вселената.

Изчисленията на китайски и американски физици показват, че мезонът на чармония има уникална структура, подобна на луковица. Използвайки опростена версия на квантовата хромодинамика (QCD) и обширни компютърни симулации, учените установиха, че субатомната частица „чармоний“ се състои от вложени слоеве, всеки от които съдържа различни видове съставни частици.

Членът на изследователския екип Синбо Джао от Института по съвременна физика и Китайската академия на науките обясни, че чармоният е съставен предимно от двойка чарм-кварк и антикварк, което го прави един от най-простите адрони.

„Съставящите го кварки са много масивни в сравнение с кварките, които образуват протоните и неутроните“,

отбеляза Джао.

Той също така сравни чармония с водородния атом в квантовата хромодинамика, подчертавайки неговата фундаменталност и простота, което позволява по-задълбочено разбиране на взаимодействията, определящи свойствата му.

Силното взаимодействие

Силното взаимодействие свързва кварките в съставни обекти, наречени адрони (които включват мезони като чармония), чрез обмен на глуони. Това е подобно на начина, по който електромагнитните взаимодействия между заредените частици се предават чрез фотони – кванти на електромагнитното поле. Теорията на силните взаимодействия, квантовата хромодинамика, обаче е много по-сложна от квантовата електродинамика, която описва електромагнитното взаимодействие. Тази сложност затруднява точното изчисляване на свойствата на адроните.

В неотдавнашно изследване Жао и колегите му изучават чармония, използвайки опростена теория, в която броят на състоянията на съставните частици е изкуствено ограничен и не са отчетени всички сложни аспекти на кварковите взаимодействия. Този подход, известен като светлинно-фронтова квантификация, позволи на екипа да изчисли разпределението на масата и налягането в хармония. В математическия апарат на QCD тези разпределения са кодирани в гравитационни форм-фактори.

Разпределението на енергията и силата

„Гравитационните форм-фактори описват как даден адрон, например протон, взаимодейства с гравитон – квантовата частица на гравитацията“, казва Джао. „Те са интересни, тъй като кодират разпределението на енергията и силата в един адрон“.

Познаването на тези фактори на формата позволи на изследователите да определят структурата на чармония, показвайки къде са разположени стабилните чарм и античарм кварки (наречени валентни кварки), както и областите, заети от виртуални кварки, които постоянно се пораждат и изчезват във вакуума (наречени миниатюрни партони).

Изследването показа също, че структурата на чармония включва виртуални адрони като пиони, каони и мюзони, както и глюболи, съставени само от глюони.

„Открихме, че чармоният е многослойна система – нещо като лук!“, обяснява Джао. „В центъра се намират валентните кварки, заобиколени от миниатюрните партиони. Външните слоеве на чармония се състоят от глюоболи и облаци от мезони. Тази слоеста структура съответства на картината, установена при експериментите с високи енергии“.

Потвърждение и последици

Тези резултати представляват значителен напредък в разбирането на силните взаимодействия и потвърждават, че приблизителните методи могат прецизно да опишат експерименталните данни. Учените смятат, че получените от тях разпределения на масата и налягането във вътрешността на чармония могат да бъдат измерени с висока точност в бъдещи експерименти с високи енергии, като например планираните за строящия се в САЩ електронно-йонен колайдер. Това ще потвърди допълнително метода за количествено определяне на светлинния фронт.

„Намирам тази работа за много интересна по две причини“, казва Фолкер Буркерт от Националния ускорителен център „Томас Джеферсън“ във Вирджиния, който не е участвал в изследването. „Първо, изследва се специален вид адрон, състоящ се от един чарм-кварк и един антикварк, които са много по-тежки от кварките в протона. Второ, интересно е, че структурата на налягането на тази частица има няколко точки на пресичане на нулата, което може да показва наличието на почти несвързани области на налягането. Би било изключително интересно, ако това може да се потвърди експериментално“.

Перспективи и предизвикателства

Чжао и колегите му се надяват да усъвършенстват своя подход, за да изследват структурата на чармония с още по-голяма прецизност. Така например техният метод все още не е в състояние да разграничи приноса на глюболите и мезоните към най-външната обвивка на чармония. Също така непрекъснатото усъвършенстване на компютърните технологии, необходими за такива изчисления, би трябвало да подобри точността на техните анализи и да позволи методът да бъде приложен за изследване на други адрони.

„В бъдеще възнамеряваме да разширим нашия метод, за да изследваме протоните, неутроните и дори ядрата“, заключи Джао. „За сложни системи като протона глюоните играят решаваща роля. Нуждаем се от по-добро третиране на тези взаимодействия и, което е по-важно, от подобрена изчислителна схема, която да се справи с големия обем изчисления. Светлинно-фронтовото квантообразуване е предназначено да постигне това на суперкомпютри от близкото бъдеще или, в идеалния случай, на бъдещите квантови компютри“.

Това може да стане по-скоро от очакването, понеже бяха измислени така наречените „логически кубити: съставени от известен брой стандартни кубити, като съвместната има работа намалява грешките, типични за квантовите компютри. По принцип логическите кубити (кубитите, свързани чрез квантово заплитане) намаляват грешките в квантовите компютри, като съхраняват едни и същи данни на различни места. По този начин се диверсифицират точките на повреда при извършване на изчисления.

Наскоро представената нова машина на QuEra, с 256 физически и 10 логически кубита, ще започне да се продава в края на 2024 г. Това се вижда в съобщението, публикуваната в Nature статия на изследователи от Харвард, QuEra и няколко други институции. Статията описва функциониращ квантов компютър, съдържащ 48 логически кубита (най-големият брой логически кубити, тествани до момента).