Иллюстрация: Takahiro Nishi et al. / Nature Physics, 2023; N + 1. Физики измерили, насколько хиральный конденсат (вакуумное среднее от операторов кварковых полей) уменьшается в условиях ядерной плотности. Для этого они создавали тяжелые пионные атомы — связанное состояние отрицательного пи-мезона и ядра с большим массовым числом, — обстреливая оловянную мишень пучком дейтронов, и измеряли их спектр по продуктам реакции с образованием пионов. Авторам удалось связать энергетические свойства этих экзотических атомов со значением конденсата для пиона, частично погруженного в ядро, что позволило проверить несколько теоретических моделей. Зафиксированное снижение хирального конденсата на 60 процентов в условиях ядерной плотности подтверждает частичное восстановление хиральной симметрии, которая могла выполняться на ранних стадиях формирования Вселенной.
Исследование опубликовано в Nature Physics. Представление о вакууме как о абсолютно пустом пространстве перестало быть общепринятым с развитием квантово-полевых представлений. Согласно ним в вакууме постоянно происходят квантовые флуктуации, то есть рождение и уничтожение элементарных частиц. Такие «временные» частицы называют виртуальными, и они могут взаимодействовать с реальными частицами, приводя к изменению их собственной энергии (лэмбовский сдвиг) или создавая давление (эффект Казимира). Главное условие квантовых флуктуаций — сохранение всевозможных квантовых чисел: заряда, четности, аромата и так далее. Из-за этого большинство виртуальных частиц рождаются парами «частица-античастица» — исключение составляют лишь несколько истинно нейтральных частиц, которые могут рождаться по одиночке.
Чтобы охарактеризовать такие квантовые флуктуации, физики вводят вакуумное среднее для полевых операторов, соответствующих тем или иным частицам (конденсат). С помощью этой величины ученые могут характеризовать эволюцию физических полей по мере расширения Вселенной. По мере того, как плотность вещества и температура спадали, поля теряли свои симметрии, например, электрослабую или хиральную. В последнем случае кварковый конденсат стал приобретать нетривиальную структуру, что выражается в различии масс кварков и, в конечном итоге, в богатом разнообразии адронных масс.
Попытка понять, как восстановится хиральная симметрия при возвращении условий высокой плотности или высокой температуры проводится физиками как теоретически, так и экспериментально. И если условия высокой температуры удается воспроизвести при столкновении тяжелых ядер в лаборатории и методами решеточной КХД на компьютере, то случай высокой плотности трудно исследовать с обеих сторон.
Достижению таких условий была посвящена работа большой коллаборации физиков из Германии, Кореи, США и Японии под руководством Такахиро Ниси (Takahiro Nishi) и Кэнта Итахаси (Kenta Itahashi) из RIKEN. Для этого ученые создавали пионные атомы — связанные состояния тяжелого ядра и π−-мезона, который состоит из d-кварка и анти-u-кварка. Между отрицательным пионом и ядром действует кулоновское притяжение, которое компенсируется сильным отталкиванием. Баланс этих сил приводит к тому, что их волновые функции перекрываются, а значит пион какое-то время проводит в условиях ядерной материи, чья плотность примерно равна 0,17 нуклона на кубический фемтометр. Идея эксперимента основана на том, что плотное окружение меняет величину хирального конденсата, что должно сказаться на спектре пионного атома.
Чтобы увидеть этот эффект, ученые разгоняли пучок дейтронов высокой интенсивности (порядка 1012 частиц в секунду) до энергий около 500 мегаэлектронвольт и фокусировали его на мишень из изотопов олова-122. Одна из наблюдаемых при этом реакций — это превращение дейтрона в гелий-3, сопровождаемое уменьшением массового числа ядра и рождением отрицательного пиона. Рождение свободных пионов возможно только при достижении некоторого энергетического порога, однако, ниже него пионы могут связываться с нейтрон-дырочными возбуждениями в ядре, поскольку энергия связи всегда отрицательна.
Это означает, что, измеряя сечение реакции в зависимости от энергии возбуждения продуктов реакции вблизи порога рождения пионов, можно исследовать энергетическую структуру такого экзотического атома. Именно это проделали авторы с помощью детекторов, фиксирующих разлетающиеся под разными углами частицы. Сами спектры проявляли чувствительность к углам рассеяния, однако для количественного анализа ученые ограничились интегрированием в пределах 1,5 градуса.
(a) Зависимость спектра продуктов реакции от угла рассеяния. (b) Тот же спектр, проинтегрированный в пределах полутора градусов. Вертикальная черная линия показывает порог рождения свободных пионов; красная, синия и зеленая линии – результат подгонки, соответствующих отдельным уровням пионного атома. Takahiro Nishi et al. / Nature Physics, 2023
В пионном атоме на основе олова-121 возбуждению может быть подвержен как пион, так и нейтронная вакансия. Наиболее выраженными были вклады от состояний (1s)π(3s1/2)−1n и (2p)π(3s1/2)−1n. Результаты их подгонки позволили извлечь из спектра соответствующие энергии связи и ширины.
Чтобы использовать эту информацию дальше, физикам потребовалось больше знать об устройстве экзотического атома. В частности, им нужно было понять, как выглядят волновая функция пиона и насколько сильно она пересекается с ядерной волновой функцией, а также характер распределения протонной и нейтронной плотности. Часть этих данных авторы взяли из экспериментов по рассеянию, часть — извлекли из ядерных феноменологических моделей, а часть — рассчитали сами, впервые учтя остаточные взаимодействия между пионом и ядром с нейтрон-дыркой.
Зависимость отношения хирального конденсата в среде к хиральному конденсату в вакууме от плотности материи. Красная точка — это результат эксперимента, соответствующий неполному погружению пиона в ядро олова. На основе ее и нулевой точки была построена линейная гипотеза (белая линия) и ее погрешности (розовая закраска). Прочие точки и линии соответствуют различным теоретическим расчетам. Takahiro Nishi et al. / Nature Physics, 2023
В результате обработки результатов подгонки физики вычислили эффективную плотность, в которой находился пион — она оказалась равна 58 процентам от ядерной плотности или 0,098 нуклона на кубический фемтометр, — а также получили изовекторный параметр, который связан с хиральным конденсатом в среде благодаря соотношению Глэшоу — Вайнберга. Оказалось, что для пионного атома на основе олова-121 величина конденсата меньше вакуумного на 77±2 процента, что свидетельствует о частичном восстановлении хиральной симметрии. Предполагая, что конденсат линейно уменьшается с ростом плотности, физики вывели его значение для условий ядерной плотности, получив 60±2 процента от вакуумного. В будущем ученые планируют проверить эту гипотезу, проведя аналогичные эксперименты для пионных атомов с другими ядрами.
Пионные атомы создают и на более легких ядрах, например, гелии. Это помогает точнее узнавать фундаментальные константы. О том, как с такими экзотическими атомами работают теоретики и экспериментаторы, мы также рассказывали.
Автор: Марат Хамадеев
Источник: https://nplus1.ru/
