Квантовые вычисления раскрывают детали стресса в субатомных частицах

Протон (розовый) и электрон (синий) испытывают напряжения в атоме водорода. Исследование стресса в субатомных частицах может раскрыть больше об их сложных взаимодействиях. Автор: Jefferson Lab illustration/Shannon West

Физики из Национальной ускорительной лаборатории Томаса Джефферсона (США) исследуют, какие напряжения испытывают протоны в квантовом мире. Постдокторант Адам Фриз применил новый подход для учёта эффектов стресса — от атомов до их ядер и составляющих ядро частиц.

В мире атомов и их ядер стресс описывает внутренние силы, возникающие при деформации системы. Исследователи уже измеряли стресс в протоне при его «толкании» и «тяге» в разных направлениях. Изучение этого стресса и его влияния на кварки и глюоны может раскрыть больше о сложных взаимодействиях этих частиц.

Фриз математически связал классическую и квантовую механику для точного расчёта стресса на субатомном уровне. В работе, опубликованной в Physical Review D, он использовал квантовую теорию для расчёта напряжений в атоме водорода. Результаты показывают, как точные измерения протонного стресса могут помочь исследовать силы, действующие на кварки и глюоны.

«Поскольку протон — такая сложная система, которую мы не очень хорошо понимаем, цель моей работы состояла в том, чтобы использовать атом водорода — очень хорошо изученную и знаковую систему в квантовой механике — чтобы понять, как напряжения работают в квантовых, а не классических системах», — пояснил Фриз.

Учёный впервые использовал для этой цели теорию пилотной волны — интерпретацию квантовой механики, которая придаёт всем частицам в системе хорошо определённые положения и траектории. Он обнаружил, что в этой интерпретации электрон и протон в водороде неподвижны относительно друг друга благодаря стрессу, который пилотная волна оказывает на электрон.

Эта работа открывает путь к получению дополнительной информации о силах путём измерения стресса. В перспективе точные измерения напряжений в протоне могут позволить определить среднюю силу, действующую на каждый кварк.

Фриз уже начал с коллегами расчёты стресса для более сложных систем — например, ядра дейтерия (изотопа водорода), чтобы изучить силу, связывающую протон и нейтрон в этом ядре.

Больше информации: Adam Freese, Quantum stresses in the hydrogen atom, Physical Review D (2025). DOI: 10.1103/PhysRevD.111.034047