Российский физик получил универсальные формулы взаимодействия кварков

Физик Никита Цегельник из Объединённого института ядерных исследований представил общий метод расчета сильного взаимодействия кварков в экстремальных условиях — при огромных температурах, в сильных полях, во вращающейся или ускоренной среде. Именно такие условия возникают в столкновениях тяжелых ионов, где на мгновение образуется кварк-глюонная плазма — состояние материи, которое, как считается, существовало в ранней Вселенной. Изучать такую плазму обычными методами трудно, поэтому Н. Цегельник использует голографию — прием, который позволяет заменить сложную задачу о сильно взаимодействующих частицах на более простую задачу о гравитации в дополнительном измерении.

Чтобы понять, как кварк притягивается к антикварку, Н. Цегельник рассматривает их как пару, между которой натянута математическая струна. Концы струны закреплены на частицах. Если знать, как струна изгибается в заданной геометрии пространства-времени, можно вычислить и расстояние между кварками, и энергию их связи — статический потенциал. Обычно считают, что струна симметрична относительно середины. Но работа автора показывает: это верно не всегда. Симметрия сохраняется только тогда, когда метрика удовлетворяет специальному условию. Если это условие нарушено, струна может изгибаться несимметрично. В некоторых вращающихся пространствах такая асимметрия связана с возможным нарушением зеркальной симметрии. Правда, сам по себе этот эффект еще не доказывает физическое нарушение симметрии — нужны дополнительные проверки. Зато для широкого класса метрик, где условие выполнено, задачу удается сильно упростить. Даже если пространство устроено сложно и разные направления в нем перемешаны, можно выделить часть потенциала, которая растет линейно с расстоянием между кварками — это похоже на натяжение связи между частицами.

Первое конкретное применение — горячая кварк-глюонная плазма в модели черной браны. Для нее Н. Цегельник получил точные формулы. Расстояние между кварками выражается через специальную математическую функцию, а потенциал состоит из двух частей: одна пропорциональна расстоянию, другая зависит от того, как расстояние меняется с температурой. Из формул видно, что при нагреве зависимость энергии от расстояния становится двузначной. Это означает, что на слишком большом расстоянии струна между кварками рвется, и кварконий распадается на независимые кварки — такое поведение называют экранированием. Автор также уточняет, как система ведет себя при малых температурах, и показывает, что характерная двузначная картина возникает из-за того, что температура меняет само расстояние между кварками, а не только их энергию.

Второй пример — ускоренная плазма, описываемая пространством Риндлера — анти-де Ситтера. Здесь автор тоже получил точные формулы, но уже через эллиптические интегралы. Оказалось, что при очень большой температуре, большом ускорении или малой кривизне результаты переходят в обычные формулы для чистого анти-де Ситтера. С ростом ускорения расстояние, на котором кварки еще могут быть связаны, уменьшается, а потенциал взаимодействия растет. Характерные температуры, при которых связь разрушается, тоже увеличиваются. При этом обнаруживается интересная закономерность: если измерять потенциал в единицах ускорения, а расстояние — тоже в единицах ускорения, то кривые перестают зависеть от конкретного значения ускорения. Иными словами, разные ускоренные системы выглядят одинаково после правильного выбора масштаба.

Главный смысл работы Никиты Цегельника в том, что физики получили более общий и удобный способ рассчитывать, насколько сильно притягиваются тяжелые кварки в экстремальной среде. Это помогает понять, как устроена кварк-глюонная плазма и почему при очень высоких температурах кварки ведут себя иначе, чем в обычной материи. Работа не описывает новый эксперимент, но дает очень важный, теоретический инструмент, который может помочь интерпретировать данные коллайдеров и лучше понять, как устроена материя в самых горячих и быстро вращающихся состояниях.

Результаты работы опубликованы в журнале «Physical Review D»

Изображение на обложке: разработано Magnific