Цивилизация
Группе немецких теоретиков удалось «из первых принципов» квантовой хромодинамики вычислить массы протона и нейтрона и других лёгких адронов, которые совпала с экспериментальным результатом в пределах 2%-ной ошибки вычислений. Учёным впервые удалось учесть эффекты образования виртуальных кварков – фундаментальных компонент, из которых состоят частицы атомного ядра – для частицы из трёх кварков. Прежние оценки массы таких частиц сходились с экспериментом лишь в пределах 10%-ной погрешности.
Хотя протоны и нейтроны состоят из трёх кварков, суммарная масса трио составляет лишь малую долю (чуть более 1%) измеренной массы протона. Остальное – это энергия взаимодействия между кварками, энергия колебаний поля сильного взаимодействия, описываемого квантовой хромодинамикой. Более того, при взаимодействии непрерывно рождаются и исчезают виртуальные кварки, постоянно превращающие протон или нейтрон то в одну, то в другую более экзотическую частицу; лишь при усреднении этой картины получается объект, ведущий себя, как частица атомного ядра.
Посчитать вклад взаимодействия – и особенно рождения виртуальных кварков – невероятно трудно из-за особенности этой теории, не допускающей стандартных методов приближений. Чтобы хоть как-то упростить вычисления, учёные замещают реальное пространство трёхмерной кубической решёткой, в узлы которой помещают частицы. Глюоны – частицы-переносчике взаимодействий превращаются при вычислениях в матрицы, описывающие перемещение из одного узла в другой.
Учёные под предводительством Стефана Дюрра из Института вычисления имени фон Неймана в германском Юлихе воспользовались одним из представлений такого решёточного приближения и мощнейшей сетью компьютеров института, позволяющей параллельно производить около 200 триллионов элементарных операций в секунду. Кроме того, они тщательно контролировали ошибки, которые могут возникать при вычислениях. Описание их работы опубликовано в последнем номере Science.
Полученный ими результат – 936 МэВ (плюс-минус 50 МэВ) согласуется с очень точно установленным экспериментальным значением 939 МэВ с точностью 0,3%. Однако точность своих собственных расчётов учёные оценивают в 2%. Ещё 2% неточности возникают при экстраполяции с рассчитанной решётки на решётку с нулевым ребром, которая, как принимают учёные, представляет реальный мир. Для экстраполяции учёные изучили поведение результатов расчёта для массы куда более простой частицы – пиона при уменьшении размеров решётки.
По мнению физиков, это – вообще говоря, техническое – достижение подкрепляет уверенность в работоспособности квантовой хромодинамики, получение от которой конкретных численных предсказаний печально знаменито своей трудоёмкостью. Ну а всем остальным может показаться интересным, что около 99% массы их тела – результат квантовых колебаний квантовохромодинамического вакуума и возникает, грубо говоря, из ничего. Происхождение оставшегося 1% связывают с полем Хиггса, дающим массу электронам и кваркам.
