Дивний дибарион на решітці

0
3

Днями в архіві е-принтів з’явилася стаття Evidence for a Bound H-dibaryon from Lattice QCD. У статті наводяться результати граткових КХД розрахунків, які свідчать на користь того, що в природі скоріше за все повинен існувати шестикварковый адрон — так званий H-дибарион, скаляр і изоскаляр з кварковой структурою uuddss. Енергія зв’язку (при масі півонії 389 Мев) оцінюється 16.6 +/- 2.1 +/- 4.6 MeV.

А тепер те ж саме простими словами.

Непонятки з наївною кварковой моделлю

Посталкивав півстоліття протони, електрони та інші частинки на прискорювачах (а ще раніше — поподставляв стопки емульсій під космічні промені), фізики відкрили до теперішнього часу сотні елементарних частинок. Переважна більшість з них — це адрони, частинки, що беруть участь в сильних взаємодіях. В експериментах 60-70-х років з’ясувалося, що всі адрони складаються з ще більш елементарних цеглинок — кварків або антикварков.

Взвестно всього шість сортів (на жаргоні фізиків «ароматів») кварків: u, d, s, c, b, t; втім останній розпадається так швидко, що не встигає взяти участь в освіті адронів. Однак ці кварки можуть об’єднуватися в різні комбінації, та й до того ж можуть по-різному рухатися відносно один одного (як електрони в атомі можуть сидіти на різних оболонках). Саме з-за цього виникає різноманіття кварковых комбінацій, тобто адронів. Протон — це uud, нейтрон — udd, заряджений пі-мезон (переносник ядерних сил) — це u-анти-d, найлегша серед так званих дивних баріонів (Λ, лямбда-гіперон) — це uds в певному стані, і так далі.

У цій «кварковой комбінаторики» (або по-науковому наївною кварковой моделі) є дивна риса. Природа «любить» конструювати адрони за три кварка або по парам кварк-антикварк (це-то фізикам зрозуміло), але чомусь «не любить» об’єднувати ці трійки або пари разом (я про це дивна властивість розповідав у популярній лекції).

Якщо ви візьмете і насильно помістіть поруч шість кварків, вони не утворюють єдиний шестикварковый адрон. Вони розіб’ються потрое (скажімо, на пару протон-на нейтрон) і кожна трійка буде жити всередині свого адрону. Чи можна подивитися на той же інакше: якщо взяти протон і нейтрон і спробувати їх вжать один в одного, вони будуть дуже сильно зважати на малих відстанях, не захочуть лізти один в одного. Це те, що ядерні фізики називають «твердою серцевиною» нуклон-нуклонных взаємодій (по-англійськи «hard-core», так-так, не смійтеся).

Довгий час було взагалі незрозуміло: це просто такий залізний закон сильних взаємодій? Але тоді як його вивести з вихідних рівнянь фундаментальної теорії сильних взаємодій, квантової хромодинамики (КХД)? Або ж многокварковые адрони можуть існувати — але чому тоді не видно в експерименті?

В останні роки все ж були експериментально знайдені мезони, які не вписуються в просту кварк-антикварковую схему, а повинні виходити об’єднанням щонайменше двох таких пар, але от за дибарионам (тобто об’єднанням двох трійок в єдину шістку) надійних даних немає. Це може означати або те, що баріони об’єднуватися не бажають, або те, що ми з нашими конкретними эксприментами не вміємо ефективно їх об’єднувати.

Обчислення на гратах

Паралельно з цими експериментальними пошуками розвивалася й інша область — чисельний розрахунок властивостей адронів під назвою КХД на решітці. З одного боку це суто теоретичний підхід, який не спирається на якісь наближені моделі, а чесно чисельно вважає все, що є в КХД. Але з іншого боку, чисельний рахунок виключно важкий, суперкомп’ютерні ресурси обмежені, і тому доводиться робити численні спрощення та наближення для чисельного розрахунку, а потім намагатися побачити, у що превратяться результати при екстраполяції до реального світу. (Підкреслю, це не наближення теорії, а наближення чисельних методів.) Просте пояснення того, як вважають на решітках, див. новини чотирирічної давності Настає нова ера в теоретичної ядерної фізики.

У світі є досить багато груп, які займаються розрахунками властивостей адронів на гратах. Оскільки комп’ютерні потужності зростають, уточнюються і наші знання про структуру і взаємодій адронів. Якщо раніше решітки були невеликі і на них «поміщався» тільки один адрон, то тепер вже міститься пара, і можна вивчати їх взаємодія. Кілька років тому в цих розрахунках почали проступати навіть натяки на реальні ядерні сили між протонами і нейтронами, зокрема, жорстка серцевина — саме про це була новина за посиланням вище. Загалом, можна сказати, що ядерні сили тепер можна обчислювати (з деякою точністю) з перших принципів. Є навіть спеціальні групи, які займаються вивченням ядерних сил на решітці, наприклад, NPLQCD Collaboration (Тuclear Physics with Lattice QCD) — вони автори тієї нової статті, з якої я почав пост. Ось недавній огляд прогресу в цій області від цієї групи.

І тепер — про дибарион

Так от, раз ядерні сили стають більш-менш реалістичними, можна спробувати перевірити а чи будуть інші баріони расталкиваться або ж вони можуть злитися в шестикварковые комбінації, дибарионы. Насправді ця тема зовсім не нова. Ще в 1977 році на основі деякої простий теоретичної моделі було висловлено припущення, що якщо взяти два лямбда-гиперона, то вони можуть об’єднатися в єдиний шестикварковый адрон з кварковой структурою uuddss, названий H-дибарион. Енергія зв’язку (щодо розвалу на дві лямбды) оцінювалася в районі 80 Мев.

Потім протягом десятиліть цей дибарион намагалися шукати в експерименті і на гратах. Свідоцтва як на користь, так і проти його існування то з’являлися, то зникали (різноманітні результати оголошувалися навіть в цьому році). І ось тепер група NPLQCD стверджує, що швидше за все він все-таки існує. Правда енергія зв’язку у нього досить мала, не сотні, а десятки Мев (може тому так важко було побачити раніше). Втім, це звичайно не останнє слово — адже екстраполяція використовувалася і тут. Подивимося, чи залишиться цей висновок в силу в майбутньому, у міру поліпшення точності розрахунків.

Ну і відразу відповім на питання — кому це треба. Це потрібно, насамперед, для кращого розуміння властивостей сильних взаємодій (а через це — краще розуміння ядерної фізики), а також для астрофізики — адже ці дибарионы можуть утворюватися в центрі нейтронних зірок і позначатися на кривій стабільних нейтронних зірок на діаграмі «маса-радіус».

Update: і буквально через тиждень з’явилася стаття про H-дибарион японської колаборації HAL QCD: arXiv:1012.5928. У них дибарион виходить теж пов’язаних з енергією зв’язку 30-40 Мев, але правда там наближення більш далеке від реальності (маса півонії там 673-1015 Мев).

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here