Распадется ли наша Вселенная? Физики измерили силу притяжения кварков с точностью до доли процента

Физики наконец-то смогли измерить то, что раньше считалось практически невозможным. Речь о силе, которая склеивает кварки внутри протонов и нейтронов. Сильное взаимодействие — самый мощный «клей» во Вселенной, но до недавнего времени его точная характеристика ускользала от ученых. Погрешность измерений составляла 1,5–3%. Теперь международная группа исследователей из Германии, Италии, Испании и Ирландии снизила эту погрешность до 0,5%. Как им это удалось? Они просто схитрили — заменили реальные столкновения частиц виртуальной математикой на суперкомпьютерах.

Почему сильное взаимодействие — «крепкий орешек»

В физике есть четыре фундаментальные силы. Гравитация, электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия. Последнее — самое загадочное. Оно удерживает кварки вместе, не давая им разлететься. Но вот парадокс: вы никогда не сможете «отодрать» один кварк от другого. Если попытаться их разъединить, энергия, которую вы затратите, не ослабнет, а начнет расти. Как только она достигнет критического значения, она превратится в массу, и в пространстве возникнут новые частицы. Это явление называется конфайнментом (пленением).

Из-за этого физики не могут просто взять и столкнуть два изолированных кварка в ускорителе, чтобы замерить силу их сцепления. Получается замкнутый круг. Ключевой параметр теории — константа сильной связи (alpha_s) — оставался «слабым звеном» Стандартной модели. Для сравнения: электромагнитную константу мы знаем с точностью до миллиардных долей процента. А вот сила связи кварков «плавала» с погрешностью в несколько процентов. Для фундаментальной науки это катастрофа.

В чем суть: виртуальная сетка вместо реального мира

Главная проблема в том, что уравнения квантовой хромодинамики (теории сильного взаимодействия) работают отлично при сверхвысоких энергиях — например, внутри Большого адронного коллайдера. Там кварки ведут себя почти как свободные частицы. Но наш мир — мир стабильных атомов — живет при низких энергиях. Здесь кварки связаны максимально прочно, и привычные приближенные формулы перестают работать. Они становятся математически неразрешимыми.

Выход нашелся в решеточной квантовой хромодинамике. Ученые отказались от идеи непрерывного пространства-времени. Вместо этого они построили виртуальную математическую сетку с определенным шагом. Кварки в этой модели могут находиться только в узлах сетки, а глюоны (переносчики взаимодействия) — перемещаться только по линиям между узлами.

Звучит сложно, но суть проста: бесконечные уравнения квантового поля превращаются в конечную систему уравнений. Их можно решать численными методами на суперкомпьютерах. Однако возникает конфликт масштабов. Сетка должна быть достаточно большой, чтобы в ней поместился протон, и одновременно достаточно мелкой, чтобы точно рассчитывать процессы на сверхвысоких энергиях. Если пытаться сделать это в одной модели — понадобится компьютер, которого не существует.

Авторы исследования обошли это ограничение методом шагового масштабирования. Они создали не одну гигантскую модель, а цепочку симуляций разного объема. Каждая последующая была ровно в два раза больше предыдущей. Рассчитывая параметры для каждого шага и сопоставляя их, ученые смогли постепенно «перенести» результаты из области низких энергий в область сверхвысоких без потери точности.

Личное наблюдение автора: как «выключить» кварки

Недавно я заметил, что в научных статьях часто используют прием, который в обычной жизни выглядит как читерство. Физики применили метод исключения (декоплинга) тяжелых кварков. В природе есть легкие кварки (из которых состоит обычное вещество) и тяжелые (они возникают на мгновение при столкновениях). В компьютерной симуляции ученые искусственно увеличили массу трех кварков до гигантских значений.

По законам квантовой механики, очень тяжелые частицы инертны. Они просто «застывают» и перестают влиять на процессы при низких энергиях. В пределе, когда масса стремится к бесконечности, кварки полностью выбывают из расчетов. Остается мир, в котором есть только глюоны. Моделировать такую упрощенную систему на компьютере в разы проще, а точность вычислений резко возрастает.

Главное достижение работы — они разработали строгие математические формулы, которые позволяют связать этот упрощенный «безкварковый» мир с реальной Вселенной. Полностью устранив систематические погрешности, связанные с дискретностью компьютерной сетки.

Что это дает на практике? Три фундаментальных прорыва

• Изучение бозона Хиггса. На БАК бозон Хиггса чаще всего рождается при слиянии глюонов. Неточность в константе alpha_s давала погрешность в 2-4% при расчете частоты рождения. Теперь это препятствие устранено.
• Проверка стабильности Вселенной. Поле Хиггса определяет массы всех частиц. Текущие расчеты показывают, что наш мир может находиться в метастабильном состоянии. Теоретически существует вероятность, что вакуум может «распасться», полностью изменив законы физики. Чтобы подтвердить или опровергнуть этот сценарий, нужны максимально точные константы.
• Поиск Новой физики. Большинство открытий происходит через фиксацию отклонений от предсказаний Стандартной модели. Но чтобы заметить отклонения, сами предсказания должны быть точными. Новое значение alpha_s получено на основе низкоэнергетических параметров, никак не связанных с коллайдерами. Это чистый эталон. Любое расхождение с будущими экспериментами в ЦЕРНе будет однозначно указывать на существование новых частиц или сил.

Итог. Физики получили значение константы сильной связи alpha_s(m_Z) = 0.11876 с неопределенностью всего 0.00058. Это примерно в два раза точнее любых предыдущих расчетов. Математическое моделирование квантовых полей на дискретной сетке превратилось из вспомогательного метода в один из самых точных инструментов науки. Теперь у нас есть не просто теория, а инструмент, позволяющий проверять, насколько прочна сама ткань реальности.