Восстановление хирального конденсата при высокой плотности вещества взято из пресс-релиза в RIKEN от Nishi et al. Настоящий эксперимент показал, что хиральный конденсат при ядерной плотности ~0,10 фм-3 должен быть уменьшен в 77+-2% раз, как показано красным кружком с планками погрешностей. Полученный результат сравнивается с теоретическими расчетами.
Предоставлено: RIKEN, автор Nishi et al. https://www.riken.jp/press/2023/20230327_1/index.html

Вакуум КХД (т. е. основное состояние вакуума в режиме квантовой хромодинамики) теоретически характеризуется наличием ненулевых средних значений конденсатов, таких как глюоны и кварк-антикварковые пары. Вместо того чтобы ассоциироваться с отсутствием частиц и взаимодействий в пустом пространстве, физическая теория рассматривает это состояние как заполненное так называемыми конденсатами, которые имеют те же квантовые числа, что и вакуум, и не могут наблюдаться непосредственно.

В то время как многие физики-теоретики обсуждали свойства вакуума КХД, экспериментальная проверка этих теоретических предсказаний до сих пор оказалась сложной задачей просто потому, что конденсаты в этом состоянии неуловимы и не могут быть обнаружены напрямую. Намек на экспериментальное «наблюдение» можно найти в теоретических предсказаниях свойств вакуума КХД.

Теории предсказывают, что конденсат может уменьшаться при высокой температуре и/или при высокой плотности вещества из-за частичного восстановления так называемой киральной симметрии. Чтобы доказать эти теории, некоторые исследователи собрали измерения во время ультрарелятивистских лобовых столкновений тяжелых ионов при особенно высоких температурах. Другие усилия в этой области пытались исследовать свойства вакуума КХД путем измерения так называемых «средних эффектов». По сути, это эффекты, которые изменяют вакуум КХД и его структуру, вызванные наличием материи высокой плотности, такой как ядерная материя.

Исследователи из RIKEN Nishina Center for Accelerator-Based Science, Женского университета Нара, Немецкого научно-исследовательского института тяжелых ионов и других институтов по всему миру недавно приступили к сбору экспериментальных данных о средних эффектах в ядрах при более низких температурах. В своих экспериментах, изложенных в статье Nature Physics, они использовали методы спектроскопии для измерения состояний пионных атомов в (Sn), связанных системах, состоящих из пиона и атомного ядра.

«Существование скрытой структуры вакуума — один из самых важных вопросов физики современности», — сказал Phys.org Кента Итахаши, один из исследователей, проводивших исследование. «Нетривиальная» структура вакуума теоретически обсуждалась в течение длительного времени. Например, Намбу описал спонтанное нарушение симметрии вакуума. Несмотря на множество связанных теорий, экспериментальные данные в этой области до сих пор были ограничены."

Основная цель недавней работы Итахаши и его коллег заключалась в дальнейшем выяснении скрытой структуры КХД-вакуума и ее эволюции на протяжении истории Вселенной. Согласно теоретическим предсказаниям, конденсация кварк-антикварковых пар (т. е. киральных конденсатов) в этом вакуумном состоянии нарушила бы киральную симметрию вакуума.

При высоких температурах и/или высоких плотностях вещества киральная симметрия будет частично восстановлена, что теоретически должно уменьшить ожидаемое значение хиральных конденсатов. В своих новых экспериментах команда намеревалась вывести ожидаемое значение пар кварк-антикварк в вакууме КХД, измеряя пионные атомы при высоких плотностях и более низких температурах с помощью высокоточных методов спектроскопии.

«Мы измерили системы, связанные между пионами и ядрами, спектроскопическим способом», — объяснил Итахаши. «Таким образом, наша спектроскопия предоставляет дополнительную информацию, которую можно анализировать в сочетании с прошлыми экспериментальными данными, касающимися лобовых столкновений. Подобно рисованию фазовой диаграммы воды или сверхпроводящих материалов, мы хотели нарисовать фазовую диаграмму вакуума на плоскости температуры и плотности. В некотором смысле ядерная материя ведет себя как примесь, загруженная в вакуум».

Исследователи обнаружили, что их измерения согласуются со спонтанным нарушением киральной симметрии вакуума КХД, описанным теорией Намбу. В сочетании с результатами новаторского исследования, которое они провели почти два десятилетия назад , эта работа продвигает нынешнее понимание вакуума КХД , нарушения и восстановления киральной симметрии и того, как это влияет на ожидаемое значение хиральных конденсатов при высоких температурах и/или высокие плотности материи.

«Насколько нам известно, в настоящее время нет такой точно определенной информации о параметре порядка при высокой плотности материи, как у нас», — сказал Итахаши. «В наших следующих исследованиях мы хотим исследовать зависимость киральной симметрии от плотности. Мы уже нанесли первую точку параметра кирального порядка на ось плотности, и теперь мы планируем изучить производную плотности путем проведения систематических измерений. , мы также хотим разработать новый метод спектроскопии пионных атомов, чтобы достичь более высокой точности и сделать возможным изучение образования пионных атомов с помощью радиоизотопов».