探索物理现实的量子“胶水”的新合作

11月. 18, 2022, 11:11 a.m.

一项雄心勃勃的新合作有望扩大我们对一些物理学家所说的将宇宙凝聚在一起的“胶水”的理解 强大的核力量.

西蒙斯合作艺术

OPE体育领导的一项新的合作研究将探索量子色动力学, 这个理论通过解释夸克和胶子如何被限制在中子和质子中来描述将宇宙粘合在一起的“胶水”.

“自然的基本力量之一是强大的核力,”他说 Igor Klebanov尤金·希金斯是哈佛大学的物理学教授 OPE体育1986年获得博士学位.D. 校友,合作项目的负责人也是物理学领域的权威专家. “没有强大的力量,就不会有我们所知道的生命.”

协作, 九月初开始的, 是由纽约的西蒙斯基金会资助的吗 这是一个成立于1994年的私人基金会,是美国最大的慈善科学组织之一. 近30年来, 西蒙斯基金会一直致力于资助从核聚变、凝聚态物理到抽象数学的一切基础研究.

西蒙斯基金会在资助美国的科学研究方面发挥着越来越强大的作用.S. 克里巴诺夫说. “特别是,他们有一个非常积极的资助基础物理学的项目.”

Simons关于禁闭和QCD弦的合作, 因为它探索了被称为量子色动力学(QCD)的强核力理论。, 包括13名来自美国的主要调查人员, 意大利, 瑞士, 以色列和联合王国. 每个调查人员都将获得一笔单独的拨款,并将“用他或她自己的专业知识来解决这个问题”,克里巴诺夫说.

在这种情况下, 这个“问题”涉及对强大核力量的精确理解, 哪一个, 伴随着弱核力, 电磁和重力, 构成自然的四种基本力量. 这些力通常被定义为自然界中所有已知相互作用的作用力.

强大的核力被认为是自然界中最强大的力量. 虽然它的射程很短, 飞米左右(千万分之一米), 它的强度大约是电磁的100倍. 强相互作用的粒子称为强子, 它们有两种类型:重子, 比如质子和中子, 和介子, 比如介子和K.

“是强大的核力将质子和中子聚集在微小的原子核中, 克服质子的静电斥力,克里巴诺夫说.

描述强核力的基本理论被称为量子色动力学, 源自希腊语 意义的颜色. 类似于量子电动力学(QED)理论, 它描述了带电粒子如何通过交换光子相互作用, QCD描述了夸克如何通过交换被称为胶子的特殊力量载体相互作用. 夸克和胶子是构成强子的微小粒子. 每一个夸克, 用物理学的话说, 有“味道”,描述了它的特殊质量和电荷. 此外,这些口味有三种颜色,如红色、绿色和蓝色. (这并不是夸克颜色的真实描述, 因为夸克是无色的, 而是一种方便的方法来区分控制强的三种不同电荷类型.相比之下,胶子有八种颜色. 这些胶子负责保持质子和中子 — 原子核构成原子核的粒子  在一起.

An important and much-studied aspect of QCD is that the quarks and gluons are confined within the hadrons; they cannot escape to move around freely. 这一现象在20世纪60年代中期由世界著名物理学家默里·盖尔曼(Murray Gell-Mann)首次发现, 谁提出了夸克的概念,后来又创造了“夸克禁闭”这个术语.随后的实验表明,当夸克被高能电子的散射探测时,它们的行为几乎是自由的. QCD的“渐近自由”为这一现象提供了理论解释, 它是1973年由OPE体育的大卫·格罗斯和弗兰克·威尔切克发现的,哈佛大学的大卫·波利策独立发现的. 这一发现获得了2004年诺贝尔奖.

当夸克被拉得更远时,一种力出现了,将它们限制在强子内. 橡皮筋的类比有时被用来说明这种情况:它的能量与它被拉伸的距离成正比. 在QCD中,这个橡皮筋被称为“限制弦”.”

“强大的力量提供了胶水来固定和限制,”克里巴诺夫说. “当你把夸克拉伸得比飞米还远的时候, 胶子似乎聚集成一种管状, 这个管子防止它们逃跑 这就是我们所说的限制弦.“提高对这种弦理论的理解是这次合作的主要目标.

自20世纪70年代以来, 科学家们一直渴望解决束缚的问题,并更详细地了解强子的内部工作原理. 虽然在QCD的近似数值模拟中已经观察到约束的影响, 对于夸克和胶子是如何被限制在重子和介子内部的,目前还没有得到普遍认可的解释.

“我们仍然不清楚这些夸克和胶子是如何结合形成强子的,克里巴诺夫说.

禁闭的问题, 事实上, 被科学家列为物理学中最大的未解之谜之一. 特别是, 束缚与一个基本的、目前尚未解决的问题有关,叫做“质量差距”问题:看起来没有质量的彩色胶子, 而不是自由传播, 结合成巨大的无色物体称为“胶球”.“目前, 尽管数值模拟证明了这一显著现象,但没有数学证明. 它是如此复杂, 棘手的问题是剑桥大学克雷数学研究所, 麻萨诸塞州, 把它列为他们的千年难题之一. 这些数学问题尚未得到解决,但被认为是科学中至关重要的问题.

“在过去的五十年里, 人们一直在努力从夸克和胶子的角度来理解强子的真正子结构,以及为什么这些夸克和胶子不能逃脱,不能自由传播,克里巴诺夫说. “我们合作的目标之一是尝试理解禁闭的过程.”

西蒙斯基金会将在未来四年资助研究人员, 而且有可能延长三年. 这笔钱将用于基础研究, 包括博士后研究人员和学生进行的研究. 科学家们预计,这项研究将引发一系列合作研究.  

“这次合作将是一个令人兴奋的机会,可以弥合诸如点阵场理论和形式理论等数值方法发展之间的差距,并将这些领域联系在一起,菲亚拉·沙纳汉说, 麻省理工学院物理学副教授 也是这次合作的主要调查者之一.

在正在进行的研究中,探索基础物理学的其他途径的潜力也很高. “广泛, 我们想要理解量子色动力学中的约束, 但我们也想破译最近才发现的所谓的异域强子态,克里巴诺夫说. “它们涉及的夸克排列比20世纪60年代以来已知的强子更为复杂.”

klebanon ov为合作总监的角色带来了相当多的专业知识和经验. 他一直在研究弦理论, 量子规范场论和重子的Skyrme模型, 在其他研究中. 他是220多篇科学论文的作者, 显著, 是反德西特/共形场论通信的三篇基础论文之一的作者吗, 它试图在弦理论和量子场论之间架起桥梁. 1998年,他与人合著了一篇关于这个主题的论文, "非临界弦理论的规范理论相关器,这篇论文仍然是高能物理学中被引用最多的论文之一. 克里巴诺夫还帮助建立了一个类似的对应模型,以展示禁闭.

“夸克和胶子的束缚意义深远, 粒子物理学标准模型的神秘之处,克里巴诺夫说. “通过提升我们对禁闭的理解, 把它放在现代语境中, 新的合作将加深我们对周围世界基本结构的洞察.”

参与当前项目的大学和研究机构包括:

  • OPE体育
  • 魏茨曼科学研究所粒子物理与天体物理系
  • 纽约大学宇宙学和粒子物理中心
  • 都灵大学
  • 明尼苏达大学
  • 苏黎世联邦理工学院
  • 周边研究所
  • École洛桑理工学院Fédérale
  • 石溪大学
  • 牛津大学
  • 加州大学圣芭芭拉分校的Kavli理论物理研究所
  • 麻省理工学院理论物理中心
  • 卡内基梅隆大学
  • 布鲁克海文国家实验室
  • 塞浦路斯研究所技术研究中心