22 декабря 2021

Суперкомпьютеры помогли ученым предсказать возможность существования экзотических частиц, состоящих из шести кварков

Исследователи из японского Института физико-химических исследований RIKEN предсказали возможность существования семейства экзотических элементарных частиц, состоящих из шести субатомных частиц, называемых кварками. Пока это предсказание имеет лишь теоретическую основу, тем не менее, оно уже сейчас позволяет углубить наше понимание процессов объединения кварков, формирования ядер атомов и т.п.

Напомним нашим читателям, что кварки являются теми "фундаментальными блоками" на базе которых строится вся окружающая нас материя. Ядра атомов состоят из протонов и нейтронов, которые, в свою очередь, состоят из трех кварков разных типов. Все частицы, состоящие из трех кварков, относятся к одному семейству, называемому барионами.

Ученые давно подозревали о существовании сложных частиц, состоящих из двух барионов, которые называются дибарионами. В природе существует только один известный дибарион - дейтрон, ядро атома водорода, состоящее из связанных друг с другом протона и нейтрона. А "проблески" существования дибарионов других типов иногда мелькали в различных высокоэнергетических экспериментах, но полученных данных было очень мало и они не могли являться убедительными доказательствами.

"Хотя дейтрон является сейчас единственным известным стабильным дибарионом, это не исключает возможности существования в природе дибарионов других типов" - рассказывает Тэкуя Суджиура (Takuya Sugiura), ученый из института RIKEN, - "Сейчас нам важно узнать, какие пары барионов могут объединяться и формировать дибарионы. Тогда мы сможем узнать некоторые тонкости процесса, за счет которого кварки объединяются и формируют материю".

Область науки, которая изучает подобные процессы, называется квантовой хромодинамикой и большая часть этой теории описывает то, как кварки взаимодействуют друг с другом. Но в реальности во все это вмешиваются силы сильных ядерных взаимодействий, которые значительно усложняют уравнения, являющиеся математическим представлением физических процессов. И естественно, такие уравнения усложняются еще больше, когда они описывают связанные состояния барионов, такие, как дибарионы.

Не так давно, путем вычисления сил, возникающих между двумя барионами, каждый из которых содержит по три очарованных кварка, Тэкуя Суджиура и его коллеги предсказали возможность существования экзотического дибариона, получившего название очарованной ди-Омеги (charm di-Omega).

Для вычислений всего этого ученым пришлось произвести массивные вычисления сложнейших систем квантово-хронодинамических уравнений. В этих уравнениях фигурировало огромное количество переменных, и такие расчеты могли быть произведены только при помощи суперкомпьютеров, в данном случае были использованы даже два суперкомпьютера - "K" и "HOKUSAI". После этого ученым потребовалось еще несколько лет работы с результатами расчетов суперкомпьютеров, после чего были найдены теоретические обоснования возможности существования очарованной ди-Омеги.

Несмотря на то, что очарованная ди-Омега является самой простой системой взаимодействующих барионов, ученым потребовались мощности сразу двух суперкомпьютеров. А сейчас Тэкуя Суджиура и его команда изучают другие зачарованные адроны, используя суперкомпьютер Fugaku, который является более мощным преемником суперкомпьютера "K".

"Особенно сильно нас интересует взаимодействие между другими видами частиц, содержащими очарованные кварки" - рассказывает Тэкуя Суджиура, - "В скором времени мы надеемся пролить свет на тайну того, как кварки объединяются и формируют многообразие известных элементарных частиц".