Барбекю из мироздания27

• Тигран Оганесян

Физики-теоретики наконец смогли точно подсчитать, какой должна быть масса нуклонов (обобщающее название протонов и нейтронов) — базовых частиц, из которых состоит бОльшая часть обычного вещества во Вселенной. Для решения этой принципиальной научной задачи был создан международный консорциум, в состав которого входили ученые из Французского центра теоретической физики (Марсель), Французского национального центра научных исследований (CNRS), Института вычислительной техники им. Джона фон Ноймана (Юлих, Германия), Университета Этвеша (Будапешт, Венгрия) и ряда других научных учреждений (всего в этом проекте было задействовано 12 физиков-теоретиков из Франции, Германии и Венгрии).

В результате кропотливых многомесячных вычислений, проводившихся при помощи современной суперкомпьютерной техники, Лоран Леллюш, Штефан Дюрр, Золтан Фодор и Ко определили, что масса нуклона составляет 936 MeV/с² (мегаэлектронвольт на секунду в квадрате).

Напомним, что, по Эйнштейну, масса тела m эквивалентна его энергии покоя E₀: согласно его знаменитой формуле, E₀=mc², из чего тривиальной математической перестановкой получаем «размерность массы» m=E/c², то есть те самые «(мега)электронвольты на секунду в квадрате».

Специфика этих математических расчетов не позволяла провести четкое разграничение между протонами и нейтронами, поэтому выданный на-гора результат теоретиков по массе нуклона — это некое усреднение данных, которое, впрочем, можно считать вполне корректным, так как, по экспериментальным оценкам, массы протона и нейтрона различаются не более чем на 1%.

В первом приближении итог этого масштабного компьютерного проекта может показаться довольно банальным: по сути, физики-теоретики, применив хитроумную математическую методику, всего лишь выловили нужную оценку массы нуклонов, очень близкую к данным, которые неоднократно получали много раньше их коллеги-экспериментаторы. Однако на самом деле их расчеты, успешно доведенные до конца благодаря совокупной мощи спаренных суперкомпьютеров IBM Blue Gene и двух кластерных вычислительных центров, выходят далеко за рамки интеллектуальных экзерсисов.

Задействованная Леллюшем и его коллегами так называемая калибровочная теория на решетке (lattice gauge theory) и ее производный вариант, квантовая хромодинамика (КХД) на решетке (lattice quantum chromodynamics), — сложнейшая модель, вобравшая в себя все ключевые элементы современной теоретической физики. И полученные результаты — первое долгожданное свидетельство того, что «решеточная КХД» корректно описывает реальные физические процессы и может стать в обозримом будущем основополагающим теоретическим инструментом исследования строения вещества.

Куда подевалась масса?

Идея о том, что все адроны (обширное семейство физических частиц, участвующих в сильных взаимодействиях, в которое входят и нуклоны) состоят из различного набора кварков, антикварков, а также частиц-переносчиков сильного взаимодействия — глюонов, была впервые выдвинута еще в 1964 году американцами Мюрреем (Марри) Гелл-Манном и Джорджем Цвейгом. Несколько позднее, в 70-х годах, физики-экспериментаторы смогли подтвердить эту гипотезу.

Но в ходе дальнейших исследований выяснилось, что на самом деле нуклоны представляют собой куда более странную конструкцию. Эксперименты показали, что в совокупности масса трех базовых кварков, составляющих протон, составляет лишь около 1% от его общей массы. Понятное дело, сразу возник вопрос: где же в таком случае прячутся остальные 99%?

Ответить на него рискнули пионеры новой физической теории, квантовой хромодинамики, постулировавшие, что эта недостача скрыта в энергии сильного ядерного взаимодействия, связывающего друг с другом кварки. Как упоминалось выше, переносчиками этого взаимодействия являются виртуальные частицы-глюоны, которые хаотическим образом возникают и тут же исчезают в физическом пространстве-времени. Именно общая энергия этих таинственных внутриядерных процессов, называемых вакуумными флуктуациями, и добавляет остальную массу нуклонам и прочим частицам-адронам.

Впрочем, даже такое теоретическое уточнение не слишком помогло ученым. Математическая природа сильного взаимодействия оказалась из-за его высоконелинейной природы настолько сложной, что точный подсчет общей массы нуклонов (или их совокупной энергии — если руководствоваться постулатом Эйнштейна об эквивалентности энергии и массы, наиболее доходчивым примером которого может служить атомная бомба) на базе «чистой» теории КХД осуществить практически невозможно: на это просто-напросто не хватает (и, по-видимому, еще долго не хватит) ресурсов современной вычислительной техники.

Так, физики-теоретики вскоре с ужасом осознали, что помимо хаотичных флуктуаций виртуальных глюонов в физическом вакууме присутствует еще один важнейший компонент, не учитывавшийся ранее в расчетных моделях, — мириады виртуальных кварков и антикварков, названных неистощимыми на выдумки учеными морскими (sea quarks). В свою очередь, нормальные, основные, кварки, дабы избежать дальнейшей путаницы, стали именовать валентными. Но и это еще не все: позднее разработчики КХД были вынуждены ввести третью категорию — «конституентные кварки», под которыми подразумевались комбинированные частицы, основу которых составляют валентные кварки, окруженные мутным виртуальным облаком глюонов и «морских пар» кварк-антикварк…

Прямо скажем, весь этот перенаселенный «кварк-зоопарк» выглядит крайне чудно. Но пока лучшие умы современной физики не могут предложить взамен ничего более простого.

Триумф решетки

Внутри тусовки физиков-теоретиков в нелегкие для нее времена (середина 70-х годов ХХ века) нашлись люди, попытавшиеся, пусть и несколько искусственным путем, облегчить научный фундамент КХД. Прежде всего следует упомянуть видного американского физика Кеннета Уилсона, в 1974 году предложившего модифицированную версию КХД — так называемую квантовую хромодинамику на решетке. Уилсон разработал специальную модель, описывающую пространственно-временной континуум внутри нуклонов при помощи набора дискретных точек, составляющих четырехмерную решетку. При этом кварки оказались как бы фиксированными узлами этой решетки, а глюоны (частицы-переносчики) — прямыми линиями, соединяющими точки-кварки.

Первый удачный опыт практического использования модели «КХД на решетке» был осуществлен в 2003 году группой британских физиков из Университета Глазго под руководством Кристин Дэвис. Группа Дэвис смогла вычислить с высокой точностью массу одной из экзотических частиц, которая состоит только из двух кварков, что существенно облегчило теоретическую работу ученых. Эта же модель Уилсона стала теоретической основой последнего суперкомпьютерного проекта. Его основной ударной силой стал компьютерный кластер в немецком Юлихе, способный выполнять 200 трлн арифметических вычислений в секунду (200 терафлоп/сек).

Теперь можно с высокой долей уверенности утверждать, что изощренная теория КХД все-таки доказала свою силу и может по праву считаться одним из краеугольных камней физики XXI века. Как отметила в одном из интервью предтеча последнего суперкомпьютерного проекта Кристин Дэвис, «самый главный итог проделанной моими коллегами масштабной работы состоит в том, что мы наконец получили возможность активно применять эту теоретическую модель для будущих физических экспериментов. Сейчас мы уже знаем наверняка, что теория КХД на решетке действительно позволяет добиваться серьезных результатов, и далее у нас на повестке дня высокоточные вычисления не только масс различных частиц, но и прочих их физических свойств и характеристик, в том числе и еще не выявленных современной наукой».

• Зачем «Русский репортер» проводит летнюю школу
• Noize MC — о социальном рэпе, взрослении и параллельной реальности
• Кампания ущемления прав курильщиков дошла до России