Учёные решили математическую загадку кварков и глюонов в ядерном веществе

Физики из США и Германии нашли способ описать поведение кварков и глюонов в ядерном веществе с помощью квантовой хромодинамики (КХД) - теории сильного взаимодействия. Их результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Кварки - это элементарные частицы, из которых состоят адроны - протоны, нейтроны и другие частицы. Глюоны - это бозоны, которые переносят сильное взаимодействие между кварками. Каждый кварк имеет цветовой заряд - один из трёх цветов (красный, зелёный или синий) или их антицвета. Глюоны также имеют цветовой заряд, но в виде комбинации цвета и антицвета.

Обычно вещество в адронах находится в так называемом бесцветном («белом») состоянии. То есть, кварки различных цветов компенсируют друг друга. Однако при очень высоких температурах или плотностях кварки и глюоны могут образовывать новое состояние вещества - кварк-глюонную плазму, в которой они свободно перемещаются и не связаны в адроны.

Одна из проблем, с которой сталкиваются физики, заключается в том, как точно описать свойства кварк-глюонной плазмы с помощью КХД. Дело в том, что уравнения КХД очень сложны и не поддаются аналитическому решению. Поэтому учёные прибегают к численным методам, таким как КХД на решётке, которая представляет пространство-время в виде дискретной сетки точек.

Однако этот метод имеет свои ограничения. В частности, он не может применяться для описания ядерного вещества при высоких плотностях, таких как в нейтронных звёздах. Кроме того, он требует больших вычислительных ресурсов и времени.

Учёные из Университета Вашингтона, Университета Бонна и Института физики высоких энергий имени Макса Планка предложили новый подход для решения этой задачи. Они использовали метод функциональной ренормализационной группы (ФРГ), который позволяет учитывать эффекты квантовых флуктуаций на разных масштабах.

С помощью ФРГ учёные смогли получить уравнение состояния кварк-глюонной плазмы, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными и численными расчётами. Они также нашли, что кварк-глюонная плазма имеет свойство называемое критической опалесценцией - резкое изменение прозрачности вещества при переходе через критическую точку фазового перехода.

Этот результат является важным шагом в понимании кварков и глюонов в ядерном веществе и может помочь в изучении экстремальных состояний материи, таких как внутри нейтронных звёзд или в ранней Вселенной.