Физики рассчитали взаимодействие пиона с полем Хиггса с рекордной точностью

С помощью инновационных масштабных симуляций на различных суперкомпьютерах физикам из Университета Иоганна Гутенберга в Майнце удалось получить новые данные о ранее неуловимых аспектах физики сильного взаимодействия.

Кумулятивные функции распределения результатов для SU(3) LEC. Автор: Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/f4x5-frx1

Доцент доктор Георг фон Хиппель и доктор Константин Оттнад из Института ядерной физики и кластера передового опыта PRISMA+ рассчитали взаимодействие пиона с полем Хиггса с беспрецедентной точностью на основе квантовой хромодинамики. Их результаты были недавно опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Крупномасштабные симуляции как единственный вариант

Физика сильных взаимодействий описывает свойства атомных ядер и составляющих их нуклонов. Взаимодействия основаны на свойствах кварков и глюонов, которые, в свою очередь, описываются квантовой хромодинамикой (КХД) — фундаментальной теорией сильных взаимодействий.

Одной из проблем в изучении сильных взаимодействий является то, что свойства этих частиц не могут быть легко рассчитаны непосредственно из КХД. Вместо этого используются численные методы, в частности решёточная КХД. В решёточной КХД кварки, глюоны и их взаимодействия моделируются на дискретной решётке пространства и времени.

Хотя этот метод позволил достичь значительного прогресса, у него есть и свои трудности: с одной стороны, необходимо хорошо понимать эффекты такого описания пространства и времени на расчёты; с другой стороны, симуляции требуют вычислительной мощности, которую могут обеспечить только суперкомпьютеры.

При низких энергиях, однако, сильные взаимодействия часто лучше объясняются в рамках так называемой «хиральной теории возмущений». Строительными блоками этой теории являются лёгкие мезоны, такие как пион, которые выступают в роли «переносчиков взаимодействия» и опосредуют сильное взаимодействие между нуклонами.

«Это можно понять с помощью аналогии из повседневной жизни, — объясняет фон Хиппель. — Мы все знаем, что вода состоит из молекул H₂O, но когда она перед нами в раковине, гораздо практичнее описывать её как жидкость с определённой плотностью, поверхностным натяжением и вязкостью, которые, в конечном счёте, конечно, все являются результатом свойств молекул H₂O».

Чтобы правильно воспроизвести свойства КХД, хиральная теория возмущений зависит от ряда так называемых низкоэнергетических констант. Они описывают силу различных взаимодействий между мезонами и с внешними полями, такими как электромагнитное поле.

«Некоторые из этих низкоэнергетических констант не могут быть определены из экспериментальных данных и должны быть рассчитаны с использованием КХД. Мы впервые точно определили одну такую низкоэнергетическую константу. Её можно понимать как силу взаимодействия пиона с полем Хиггса», — говорит фон Хиппель.

Крупномасштабные симуляции решёточной КХД на суперкомпьютерах — единственный способ рассчитать низкоэнергетические константы из КХД. Благодаря специально разработанным алгоритмам фон Хиппелю и Оттнаду удалось достичь решёточных результатов с точностью более чем в 10 раз выше предыдущих расчётов.

«Нам удалось определить ранее в значительной степени неизвестное значение с контролируемой точностью из решёточных симуляций», — говорит фон Хиппель. Расчёты выполнялись на суперкомпьютерах Gauss Center for Supercomputing e. V. в Leibniz Supercomputing Center и Jülich Supercomputer Center, а также на высокопроизводительных вычислительных кластерах Майнца Clover, MOGON NHR, MOGON II и HIMster-2.

Высокопроизводительный компьютер MOGON NHR South-West в серверной комнате Университета Иоганна Гутенберга. Автор: Peter Pulkowski

Радиус пиона рассчитан с беспрецедентной точностью

Однако фон Хиппель и Оттнад использовали свои расчёты не только для определения низкоэнергетических констант хиральной теории возмущений. Для сопутствующей статьи, недавно опубликованной в журнале Physical Review D, они также использовали свой подход для расчёта вкладов в радиус пиона с беспрецедентной точностью.

«Наша работа показывает, что величины, которые ранее считались недостижимыми, теперь доступны для современных решёточных симуляций КХД, — подводит итог фон Хиппель. — Наши результаты — это первый шаг в новую фазу решёточных вычислений. В будущем мы хотим определить другие физические величины, такие как радиусы каонов или моменты кварков».

Больше информации: Georg von Hippel et al, Low-Energy Constants of Chiral Perturbation Theory from Pion Scalar Form Factors in N_f=2+1–Flavor Lattice QCD with Controlled Errors, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/f4x5-frx1
Konstantin Ottnad et al, Scalar size of the pion from lattice QCD, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/qh7q-9nyy

Источник: Johannes Gutenberg University Mainz

ИИ: Это впечатляющее достижение демонстрирует, как современные вычислительные методы позволяют продвигаться в фундаментальной физике. Точное определение взаимодействия пиона с полем Хиггса открывает новые возможности для проверки Стандартной модели и поиска новой физики за её пределами.