23 декабря 2010 г.

Странный дибарион на решетке

На днях в архиве е-принтов появилась статья Evidence for a Bound H-dibaryon from Lattice QCD. В статье приводятся результаты решеточных КХД расчетов, которые свидетельствуют в пользу того, что в природе скорее всего должен существовать шестикварковый адрон — так называемый H-дибарион, скаляр и изоскаляр с кварковой структурой uuddss. Энергия связи (при массе пиона 389 МэВ) оценивается 16.6 +/- 2.1 +/- 4.6 MeV.

А теперь то же самое простыми словами.

Непонятки с наивной кварковой моделью

Посталкивав полвека протоны, электроны и иные частицы на ускорителях (а еще раньше — поподставляв стопки эмульсий под космические лучи), физики открыли к настоящему времени сотни элементарных частиц. Подавляющее большинство из них — это адроны, частицы, участвующие в сильных взаимодействиях. В экспериментах 60-70-х годов выяснилось, что все адроны состоят из еще более элементарных кирпичиков — кварков или антикварков.

Bзвестно всего шесть сортов (на жаргоне физиков «ароматов») кварков: u, d, s, c, b, t; впрочем последний распадается так быстро, что не успевает поучаствовать в образовании адронов. Однако эти кварки могут объединяться в самые разные комбинации, да и к тому же могут по-разному двигаться относительно друг друга (как электроны в атоме могут сидеть на разных оболочках). Именно из-за этого возникает многообразие кварковых комбинаций, т.е. адронов. Протон — это uud, нейтрон — udd, заряженный пи-мезон (переносчик ядерных сил) — это u-анти-d, легчайший среди так называемых странных барионов (Λ, лямбда-гиперон) — это uds в определенном состоянии, и так далее.

У этой «кварковой комбинаторики» (или по-научному наивной кварковой модели) есть странная черта. Природа «любит» конструировать адроны по три кварка или по парам кварк-антикварк (это-то физикам понятно), но почему-то «не любит» объединять эти тройки или пары вместе (я про это странное свойство рассказывал в популярной лекции).

Если вы возьмете и насильно поместите рядом шесть кварков, они не образуют единый шестикварковый адрон. Они разобьются потрое (скажем, на пару протон-нейтрон) и каждая тройка будет жить внутри своего адрона. Или можно посмотреть на то же иначе: если взять протон и нейтрон и попытаться их вжать друг в друга, они будут жутко сильно отталкиваться на малых расстояниях, не захотят пролезать друг в друга. Это то, что ядерные физики называют «жесткой сердцевиной» нуклон-нуклонных взаимодействий (по-английски «hard-core», да-да, не смейтесь).

Долгое время было вообще непонятно: это прямо такой железный закон сильных взаимодействий? Но тогда как его вывести из исходных уравнений фундаментальной теории сильных взаимодействий, квантовой хромодинамики (КХД)? Или же многокварковые адроны могут существовать — но почему их тогда не видно в эксперименте?

В последние годы всё же были экспериментально найдены мезоны, которые не вписываются в простую кварк-антикварковую схему, а должны получаться объединением как минимум двух таких пар, но вот по дибарионам (т.е. объединением двух троек в единую шестерку) надежных данных нет. Это может означать либо то, что барионы объединяться не желают, либо то, что мы с нашими конкретными эксприментами не умеем эффективно их объединять.

Вычисления на решетках

Параллельно с этими экспериментальными поисками развивалась и другая область — численный расчет свойств адронов под названием КХД на решетке. С одной стороны это чисто теоретический подход, который не опирается на какие-то приближенные модели, а честно численно считает всё, что есть в КХД. Но с другой стороны, численный счет исключительно труден, суперкомпьютерные ресурсы ограничены, и поэтому приходится делать многочисленные упрощения и приближения для численного расчета, а потом стараться углядеть, во что превратяться результаты при экстраполяции к реальному миру. (Подчеркну, это не приближения теории, а приближения численных методов.) Простое объяснение того, как считают на решетках, см. в новости четырехлетней давности Наступает новая эра в теоретической ядерной физике.

В мире есть довольно много групп, которые занимаются расчетами свойств адронов на решетках. Поскольку компьютерные мощности растут, уточняются и наши знания о структуре и взаимодействиям адронов. Если раньше решетки были небольшие и на них «помещался» только один адрон, то теперь уже помещается пара, и можно изучать их взаимодействие. Несколько лет назад в этих расчетах начали даже проступать намеки на реальные ядерные силы между протонами и нейтронами, в частности, жесткая сердцевина — именно про это была новость по ссылке выше. В общем, можно сказать, что ядерные силы теперь можно вычислять (с некоторой точностью) из первых принципов. Есть даже специальные группы, которые как раз занимаются изучением ядерных сил на решетке, например, NPLQCD Collaboration (Тuclear Physics with Lattice QCD) — они авторы той новой статьи, с которой я начал пост. Вот недавний обзор прогресса в этой области от этой группы.

И теперь - про дибарион

Так вот, раз ядерные силы становятся более-менее реалистичными, можно попробовать проверить, а будут ли другие барионы расталкиваться или же они могут слиться в шестикварковые комбинации, дибарионы. На самом деле эта тема совсем не нова. Еще в 1977 году на основе некоторой простой теоретической модели было высказано предположение, что если взять два лямбда-гиперона, то они могут объединиться в единый шестикварковый адрон с кварковой структурой uuddss, названный H-дибарион. Энергия связи (относительно развала на две лямбды) оценивалась в районе 80 МэВ.

Потом в течение десятилетий этот дибарион пытались искать в эксперименте и на решетках. Свидетельства как в пользу, так и против его существования то появлялись, то исчезали (разнообразные результаты объявлялись даже в этом году). И вот теперь группа NPLQCD утверждает, что скорее всего он всё-таки существует. Правда энергия связи у него довольно мала, не сотня, а десятка МэВ (может поэтому его так трудно было углядеть раньше). Впрочем, это конечно не последнее слово — ведь экстраполяция использовалась и тут. Посмотрим, останется ли этот вывод в силе в будущем, по мере улучшения точности расчетов.

Ну и сразу отвечу на вопрос — кому это надо. Это надо, прежде всего, для лучшего понимания свойств сильных взаимодействий (а через это — лучшее понимание ядерной физики), а также для астрофизики — ведь эти дибарионы могут образовываться в центре нейтронных звезд и сказываться на кривой стабильных нейтронных звезд на диаграмме «масса-радиус».

Update: и буквально через неделю появилась статья про H-дибарион японской коллаборации HAL QCD: arXiv:1012.5928. У них дибарион получается тоже связанным, с энергией связи 30-40 МэВ, но правда там приближение более далекое от реальности (масса пиона там 673-1015 МэВ).

10 комментариев:

  1. А можно чуть подробнее о том, почему численный расчет взаимодействия настолько сложен? Ну то есть я примерно понимаю сложность расчета погодных условий, или моделирование Солнечной системы, или поведения белков, а здесь какие факторы влияют?

    ОтветитьУдалить
  2. Вычисление ресурсоемкое, потому что приходится численно выполнять многомиллионократное интегрирование.

    В отличие от планет или белков, в КХД на решетке пытаются моделировать поле, а поле — это объект с бесконечным числом степеней свободы. Для того, чтобы хоть что-то сосчитать численно, берут дискретное приближение — рассматривают ограниченный объемчик пространства-времени и к тому же его дискретизуют на N узлов. Получается решетка с N^4 узлами. (Число N — порядка нескольких десятков, N^4 — миллионы). Так вот, в КЗД на решетке на каждом узле идет свое интегрирование по «силе кваркового поля» (и как правило не однократное), и на каждом ребре решетки идет свое интегрирование по «силе глюонного поля». В результате получается многомиллиономерный интеграл, который надо считать по методу Монте-Карло. Ну и есть еще дополнительные вычислительные трудности.

    ОтветитьУдалить
  3. Нельзя ли более ясно чем дибарион принципиально отличается от того же дейтрона. Ведь и там, и там есть энергия связи и т.п.

    ОтветитьУдалить
  4. В дейтроне шесть кварков разбиваются на два нейтральных по цвету и более-менее локализованных в пространстве кластера по три, и к тому же эти кластеры всегда держат свои квантовые числа. В шестикварковом дибарионе эти требования снимаются: все кварки могут быть в общей куче и нет никакого стабильного разделения на цветово-нейтральные тройки.

    ОтветитьУдалить
  5. А распределенные вычисления, типа Folding@Home, тут могут помочь? Вроде как неплохо задача должна параллелиться...

    ОтветитьУдалить
  6. Распределенные вычисления помогают, когда задачу можно разбить на более-менее независимые блоки, так чтоб работа с каждым блоком не требовала постоянного обмена данными с другими блоками. В случае КХД на решетках будет интенсивный обмен данных между блоками, что сводит на нет всю ценность распределенных вычислений.

    ОтветитьУдалить
    Ответы
    1. Анонимный11/1/13 17:37

      " В случае КХД на решетках будет интенсивный обмен данных между блоками, "

      А вот это не понятно. Как я понимаю монте-карло, это оценка интеграла как среднего некого случаного процесса (многомерного в данном случчае -- поля). Т.е. много раз "выбрасываем" случайные полевые конфигурации, считаем их вероятности (точнее амплитуды, если не используется виковский поворот) и интересующий нас функционал усредняем по этому случайному набору. Т.е. берем взвешенную сумму его занчений на "вбросах". Проблема лишь в том, что надо очень много раз делать "вбросы". А результаты "вбросов" просто суммировать (с весами). Так это же как раз для распределенных вычислений! Грубо говоря, надо миллион вбросов. Тысячу на одном компьютере (и просумировать), тысячу на другом (и тоже проссуммировать)... А потом просуммировать суммы. И все :-)

      В чем я не прав?

      Удалить
    2. Я тут не могу квалифицированно ответить; это я просто пересказал то, что отвечают специалисты на подобные вопросы.

      Удалить
  7. Уважаемый Игорь!
    Рекомендую ознакомится с формализмом Редже, в частности с работой Хацимовского В. М. Дискретная квантовая гравитация в формализме Редже. ИКИ РАН, Москва, 2009 (http://arc.iki.rssi.ru/books/avtoreferats.htm)
    Получается, на мой взгляд, для популяризации все проще и нагляднее. (учитывая геометрию ТФКП).

    ОтветитьУдалить
  8. Я, честно говоря, не понимаю смысл ваших многочисленных комментариев со ссылками на произвольные публикации, поэтому я их удалил.

    ОтветитьУдалить