Международной группе исследователей впервые удалось теоретически рассчитать массу важнейших строительных блоков материи - протонов и нейтронов. Самый важный инструмент физиков: суперкомпьютер JUGENE в Forschungszentrum Jülich. Сложные симуляции подтверждают правильность фундаментальной физической теории, квантовой хромодинамики, сообщают ученые в текущем выпуске «Науки».
Материя состоит из атомов, а атомы, в свою очередь, состоят из ядер протонов и нейтронов, вокруг которых вращаются электроны.«Более 99,9% массы видимой материи приходится на протоны и нейтроны», - объясняет Золтан Фодор, венгерский физик, который в настоящее время работает в Университете Вупперталя и возглавлял исследовательский проект на суперкомпьютере JUGENE в Юлихе. Эти частицы, объединенные физиками под термином «нуклоны», состоят каждая из трех кварков.
Три кварка составляют нуклон
Совокупная масса трех кварков составляет всего около пяти процентов от массы строительного блока ядра - так откуда нуклоны получают свою массу? Ответ на этот вопрос можно найти в знаменитой формуле Альберта Эйнштейна E=m × c2: энергия и масса эквивалентны друг другу, а 95 процентов массы нуклона возникает из кинетической энергии кварков и частиц, которыми они обмениваются.
Три кварка нуклона связаны сильным взаимодействием, силой, которая имеет значение только в области элементарных частиц, но которая, как следует из названия, очень сильна. У физиков давно есть теоретическое описание этого взаимодействия - квантовая хромодинамика. «В принципе должно быть возможно вычислить массу нуклонов с помощью квантовой хромодинамики», - говорит Фодор.
Однако такие расчеты крайне сложны. Подобно тому, как электромагнитные силы опосредованы фотонами - световыми частицами, - в сильном взаимодействии также присутствуют частицы-переносчики, так называемые глюоны. Однако, в отличие от фотонов, эти глюоны также могут притягиваться друг к другу. С одной стороны, это самовзаимодействие приводит к тому, что кварки настолько сильно притягиваются друг к другу, что никогда не появляются поодиночке, а всегда образуют более крупные частицы по двое или по трое. А с другой стороны, самовоздействие делает расчет массы этих частиц настолько сложным, что до сих пор это было за пределами возможностей исследователей.
Самый быстрый компьютер в Европе
Благодаря суперкомпьютеру JUGENE в Forschungszentrum Jülich Фодор и его коллеги теперь смогли преодолеть это препятствие, впервые правильно описать сильное взаимодействие для больших кварковых расстояний и, таким образом, рассчитать массы протонов., нуклоны и другие частицы, состоящие из кварков. JUGENE может выполнять 180 триллионов арифметических операций каждую секунду, что делает его самым быстрым компьютером в Европе.
Для своих расчетов Фодор и его команда разбили пространство и время на мелкоячеистую четырехмерную сетку и решили сложные уравнения квантовой динамики хрома в точках этой сетки. Затем исследователи постепенно делали расстояние между точками сетки все меньше и меньше, чтобы все ближе и ближе подходить к реальности, непрерывному пространству-времени. «Это одна из самых ресурсоемких работ в истории человечества», - сказал Фодор.
Квантовая хромодинамика верна
В результате ученые наконец-то получили значения масс нуклонов, в точности соответствующие значениям, измеренным в экспериментах. «Таким образом, мы показали, что квантовая хромодинамика на самом деле является правильным описанием сильного взаимодействия», - радостно говорит Фодор.
«Таким образом, было выяснено происхождение большей части массы видимой материи», - объясняет исследователь. Но это не решает всех загадок. Потому что видимое вещество составляет лишь небольшую часть общей массы Вселенной - около 80 процентов этой массы темное и состоит из неизвестных ранее элементарных частиц. «Пока у нас нет объяснения, откуда эта темная материя получила свою массу».