Sciencemag.cz
Doporučujeme
S pomocí inovativních rozsáhlých simulací na různých superpočítačích se fyzikům z Johannes Gutenberg University v Mohuči podařilo získat nové poznatky o dosud neznámých aspektech fyziky silné interakce. Georg von Hippel a Konstantin Ottnad dokázali vypočítat interakci pionu s Higgsovým polem s dosud nevídanou přesností na základě kvantové chromodynamiky.
Fyzika silných interakcí popisuje vlastnosti atomových jader a nukleonů, z nichž se skládají. Interakce jsou založeny na vlastnostech kvarků a gluonů, které jsou zase popsány kvantovou chromodynamikou (QCD), základní teorií silných interakcí. Jednou z výzev při studiu silných interakcí je to, že vlastnosti těchto částic ale nelze snadno vypočítat přímo z QCD. Místo toho se používají numerické metody, zejména mřížková QCD. V mřížkové QCD se kvarky, gluony a jejich interakce simulují na diskrétní mřížce prostoru a času.
Ačkoli tato metoda umožnila značný pokrok, má také své vlastní obtíže: na jedné straně je třeba dobře porozumět vlivům tohoto popisu prostoru a času na výpočty; na druhé straně simulace vyžadují výpočetní výkon, který mohou poskytnout pouze superpočítače. Při nízkých energiích však silné interakce lze často lépe vysvětlit v rámci tzv. chirální perturbační teorie. Základními stavebními kameny tohoto rámce jsou lehké mezony, jako je pion, které fungují jako nositelé interakce a zprostředkovávají silnou interakci mezi nukleony. Tato teorie je založena na principech QCD a zahrnuje všechny vlastnosti základních kvarků a gluonů. Výslednou fyziku však popisuje jiným způsobem.
Aby bylo možné správně reprodukovat vlastnosti QCD, závisí chirální perturbační teorie na řadě takzvaných nízkých energetických konstant. Ty popisují sílu různých interakcí mezi mezony a vnějšími poli, jako je např. elektromagnetické.
„Některé z těchto nízkých energetických konstant nelze určit z experimentálních dat a musí být vypočítány pomocí QCD. Nyní jsme poprvé přesně určili jednu takovou nízkou energetickou konstantu. Lze ji chápat jako sílu interakce pionu s Higgsovým polem,“ uvedl K. von Hippel. (Pion je mezon Pí, nejlehší mezon.)
Von Hippel a Ottnad své výpočty nepoužili pouze k určení nízkých energetických konstant chirální perturbační teorie. V doprovodné studii použili svůj přístup také k výpočtu poloměru pionu – opět s bezprecedentní přesností.
„Naše práce ukazuje, že veličiny, které byly dříve považovány za pro nás prakticky nedosažitelné, jsou nyní přístupné pomocí moderních simulací QCD na mřížce,“ shrnuje von Hippel. „Naše výsledky jsou prvním krokem do nové etapy výpočtů. V budoucnu takto chceme určit další fyzikální veličiny, jako jsou poloměry kaonů nebo hybnosti kvarků.“
Georg von Hippel et al, Low-Energy Constants of Chiral Perturbation Theory from Pion Scalar Form Factors in Nf=2+1–Flavor Lattice QCD with Controlled Errors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/f4x5-frx1
Konstantin Ottnad et al, Scalar size of the pion from lattice QCD, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/qh7q-9nyy
Zdroj: Johannes Gutenberg University Mainz / Phys.org, přeloženo / zkráceno
