Ученые широко признают существование кварков
Ученые широко признают существование кварков, фундаментальных частиц, которые составляют протоны и нейтроны. Но информация о них все еще неуловима, поскольку их взаимодействие настолько сильно, что их прямое обнаружение невозможно, а косвенное исследование их свойств часто требует чрезвычайно дорогих коллайдеров частиц и сотрудничества между тысячами исследователей. Таким образом, кварки остаются концептуально чужими и странными, как Чеширский кот в «Приключениях Алисы в стране чудес», чья улыбка обнаружима, но не его тело.
Международная группа ученых, в которую входит ученый-материаловед Валерий Винокур из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США, разработала новый метод исследования этих фундаментальных частиц, который использует аналогию между поведением кварков в физике высоких энергий и электроны в физике конденсированных сред. Это открытие поможет ученым сформулировать и провести эксперименты, которые могли бы предоставить убедительные доказательства для ограничения кварков, асимптотической свободы и других явлений, таких как существование суперинзиторов как в двух, так и в трех измерениях.
Винокур, работая с Марией Кристиной Диамантини из Университета Перуджи в Италии и Карло Трюгенбергером из SwissScientific Technologies в Швейцарии, разработал теорию вокруг нового состояния вещества, называемого суперинсулятором, в котором электроны проявляют некоторые из тех же свойств, что и кварки.
Они определили, что электроны имеют два важных свойства, которые управляют взаимодействием кварков: ограничение и асимптотическая свобода. Конфайнмент — это механизм, который связывает кварки в составные частицы. В отличие от электрически заряженных частиц кварки не могут быть отделены друг от друга. По мере увеличения расстояния между ними их сила становится только сильнее.
«Это не наш повседневный опыт», — сказал Винокур. «Когда вы раздвигаете магниты, становится легче, когда они разъединяются, но обратное верно для кварков. Они яростно сопротивляются».
Взаимодействия кварков также характеризуются асимптотической свободой, когда кварки на близком расстоянии вообще перестают взаимодействовать. Как только они проходят определенное расстояние друг от друга, ядерная сила втягивает их обратно.
В конце 1970-х годов нобелевский лауреат Джерард ‘т Хоофт впервые объяснил эти два вновь теоретизированных свойства, используя аналогию. Он представил себе состояние материи, противоположное сверхпроводнику, в котором оно бесконечно сопротивляется потоку заряда, а не бесконечно проводит его. В «суперинсуляторе», как это назвал т Хоофт, пары электронов с разными спинами — куперовские пары — связывались бы друг с другом таким образом, который математически идентичен ограничению кварков внутри элементарных частиц.
«Искаженное электрическое поле в суперинсуляторе создает цепочку, которая связывает пары куперовских пар, и чем больше вы их растягиваете, тем больше пара сопротивляется расставанию», — сказал Винокур. «Это механизм, который связывает кварки в протоны и нейтроны».
В 1996 году, не зная аналогии ‘t Hooft, Диамантини и Трюгенбергер — вместе с коллегой Паскуале Содано — предсказали существование суперинсуляторов. Тем не менее, суперинсуляторы оставались теоретическими до 2008 года, когда международное сотрудничество под руководством исследователей Аргонна вновь открыло их в пленках нитрида титана.
Используя свои экспериментальные результаты , они построили теорию, описывающую поведение суперинсулятора, которая в конечном итоге привела к их недавнему открытию, которое установило аналог куперовской пары как для ограничения, так и для асимптотической свободы кварков, как воображал Хофт, отметил Винокур.
Теория суперинсуляторов конкретизирует ментальную модель, которую физики высоких энергий могут использовать, чтобы думать о кварках, и предлагает мощную лабораторию для изучения физики удержания, используя легкодоступные материалы.
«Наша работа предполагает, что системы, меньшие, чем типичная длина струн, связывающих пары Купера, ведут себя интересно», — сказал Винокур. «Они движутся почти свободно в этом масштабе, потому что не хватает места для развития высокопрочных сил. Это движение аналогично свободному движению кварков в достаточно малом масштабе».
Винокур и соавторы Diamantini, Trugenberger и Luca Gammaitoni из Университета Перуджи ищут способы окончательно провести различие между 2-мерными и 3-мерными суперинсуляторами. До сих пор они нашли один — и он имеет широкое значение, бросая вызов традиционным представлениям о том, как образуется стекло.
Чтобы понять, как синтезировать 2-мерный или 3-мерный суперинсулятор, исследователям необходимо «полное понимание того, что делает один материал трехмерным, а другой — двухмерным», сказал Винокур.
Их новая работа показывает, что трехмерные суперинсуляторы демонстрируют критическое поведение, известное как Vogel-Fulcher-Tammann (VFT), при переходе в суперизоляционное состояние. Суперинсуляторы в 2D, однако, демонстрируют другое поведение: переход Березинского-Костерлица-Таулесса.
Открытие того факта, что VFT является механизмом, лежащим в основе трехмерных суперинсуляторов, выявило нечто удивительное: переходы VFT, впервые описанные почти сто лет назад, ответственны за образование стекла из жидкости. Стекло не является кристаллическим, как лед — оно возникает из аморфного, случайного расположения атомов, которые быстро замерзают в твердом теле.
С момента своего открытия причина VFT остается загадкой, но ученые долго полагали, что это началось с какого-то внешнего расстройства. 3-D суперинсуляторы, описанные в статье Винокура, оспаривают это традиционное представление и вместо этого предполагают, что беспорядок может развиться из-за внутреннего дефекта в системе. Идея о том, что очки могут быть топологическими — они могут изменять свои внутренние свойства, оставаясь при этом материально — остается новым открытием.
«Этот фундаментальный прорыв представляет собой важный шаг в понимании происхождения необратимости в природе», — сказал Винокур. Следующим шагом будет наблюдение за этим теоретическим поведением в 3-D суперинсуляторах.
В исследовании приняли участие исследователи из разных дисциплин. Винокур — физик конденсированных сред, а Гаммаитони занимается квантовой термодинамикой. Диамантини и Трюгенбергер находятся в квантовой теории поля.
«Самое замечательное, что мы пришли из очень разных областей физики», — сказал Винокур. «Объединение наших дополнительных знаний позволило нам достичь этих прорывов».
Результаты исследования куперовских пар появляются в статье «Конфайнмент и асимптотическая свобода с куперовскими парами», опубликованной 7 ноября 2018 года в « Физике связи» . Работа над механизмами трехмерного суперинсулятора изложена в статье «Критичность Фогеля-Фулчера-Таммана трехмерных суперинсуляторов», опубликованной в научных отчетах 24 октября 2018 года.
