Лекцию под названием «Современные тенденции в области исследования физики сильных взаимодействий» читает Дэвид Гросс, нобелевский лауреат по физике 2004 года («за открытие асимптотической свободы в теории сильных взаимодействий», совместно с Фрэнком Вильчеком и Дэвидом Политцером). Ранее он принял участие в закладке камня, знаменующего начало строительства новейшего российского коллайдера НИКА. Это крупнейший международный проект, новый коллайдер позволит ускорять и сталкивать тяжелые ядра, вплоть до золота, с рекордными параметрами в требуемом диапазоне энергий и обеспечит столкновения поляризованных ядер. (Мы рассказывали о церемонии начала строительства коллайдера НИКА).
Внизу текста мы поместили видеозапись лекции (на английском языке).
14:36 Позвольте мне начать с напоминания об одном из величайших достижений физики XX века — Стандартной модели.
14:38 Гросс перечисляет кварки и лептоны и три силы — электромагнетизм, слабое и сильное взаимодействия.
14:40 Вместе с сектором Хиггса, Стандартная модель стала полной.
14:44 Речь пойдет о сильных взаимодействиях. Трудность изучения сильных взаимодействий в том, что заряды (цвета кварков и глюонов) совершенно скрыты внутри ядра. Это очень затрудняет определение составляющих протонов и нейтронов и сил, которые держат кварки вместе.
14:46 Долгое время, до конца 1960-х годов, никто не верил в существование кварков, так как их не удавалось наблюдать в экспериментах. Эксперимент, который изменил положение — Deep-Inelastic Scattering at SLAC.
14:47 Этот эксперимент использовал фотоны, сталкивающиеся с протонами, для изучения структуры протонов. Обнаружилось, что протоны выглядели так, будто были сделаны из свободно движущихся кварков.
14:49 Но это было очень странно. Как это возможно, чтобы кварки двигались свободно? Почему их тогда так сложно «вытащить» из протона?
14:55 Интуиция говорит нам, что чем дальше друг от друга объекты, тем слабее между ними взаимодействие. Однако в случае кварков это не так — чем меньше дистанция, тем как раз слабее взаимодействие.
14:58 Квантовая хромодинамическая сила (QCD) уменьшается на коротких дистанциях и увеличивается на больших дистанциях
15:03 «Подтверждение этой теории заняло много времени». Нужны большие энергии, чтобы посмотреть, что происходит на малых расстояниях.
15:06 Сейчас уменьшение силы (на малом расстоянии) показано в экспериментах, результаты которых совпадают с теорией с большой точностью.
15:09 Стандартная модель, особенно QCD, — это точная теория, которая стала необходимым элементом физики высоких энергий.
15:14 Почему QCD — идеальная теория? Этот уголок теории может быть рассмотрен отдельно, можно забыть о других взаимодействиях — слабом, электромагнитном, гравитации, и получится наиболее полная теория, которая у физиков когда-либо была.
15:15 В ней не возникают бесконечности при расчетах, нет подгонки параметров, нет никакой «новой физики» на коротких дистанциях и высоких энергиях.
15:18 Она позволяет вычислять массы элементарных частиц и бесконечность никогда не появляется. Разве что вы попробуете посмотреть, что происходит на бесконечно коротких дистанциях.
15:21 Нет настраиваемых параметров: Кварки почти не обладают массой на фоне массы протона. 99% массы протона — от энергии глюонного поля и кинетической энергии кварков.
15:24 В случае с каждой теорией, которая у нас есть, даже с электродинамикой, мы в глубине сердца понимаем, что все пойдет не так на коротких дистанциях Но не в случае с QCD. Чем больше энергии и короче дистанции — тем проще становится QCD.
15:25 Все это позволяет воссоздать условия сразу после Большого взрыва.
15:33 «QCD — это первый пример законченной теории, без гибких параметров и каких-либо признаков внутри теории, что существует такой масштаб, на котором она может перестать работать».
15:37 Сложная часть теории: что произойдет, если сжать или нагреть частицы, напр. протоны? Если нагреть протоны или нуклеоны до очень высоких температур, кварки должны высвободиться. И материя должна перейти в другое состояние. То же самое — со сжатием в результате столкновений. Такие эксперименты были проведены и они подтвердили до некоторой степени, что нуклеоны «плавятся» и происходит фазовый переход в состояние кварк-глюонной плазмы.
15:43 НИКА будет исследовать, что произойдет при большой плотности, но не такой большой температуре. Подобные условия предполагаются в нейтронных звездах.
15:52 QCD имеет сильные связи с теорией струн. Теория струн была изобретена чтобы понять сильное взаимодействие. Свойства QCD не только касаются свойства кварков и глюонов, но и открытых струн, а также закрытых струн, что может привести к пониманию, что такое гравитация.
15:58 Когда вы изучаете свойства фазовых переходов при столкновениях ионов, результаты могут быть использованы для исследования черных дыр.
16:02 В общем, завершает свою лекцию Дэвид Гросс, нас ждет много нового и интересного. Например, НИКА сможет исследовать новый участок на графике фазовых переходов. Поздравления с началом большого дела и благодарность слушателям.
16:03 Лекция закончена, спасибо и нашим читателям.
