Jämfört med masspektrumet av mesoner på vänster sida, och protoner, neutroner och baryoner på höger sida, det är tydligt att pioner är mycket lätta. Kredit:Kavli IPMU
Använd bara en penna och papper, en teoretisk fysiker har bevisat ett decennier gammalt påstående att en stark kraft som kallas Quantum Chromo Dynamics (QCD) leder till lätta pioner, rapporterar en ny studie publicerad den 23 juni i Fysiska granskningsbrev .
Den starka kraften är ansvarig för många saker i vårt universum, från att få solen att skina, att hålla kvarkar inuti protoner. Detta är viktigt eftersom det ser till att protonerna och neutronerna binder för att bilda kärnor i varje atom som finns. Men det finns fortfarande mycket mystik kring den starka kraften. Einsteins förhållande E=mc2 betyder att en stark kraft leder till mer energi, och mer energi betyder en tyngre massa. Men subatomära partiklar som kallas pioner är mycket lätta. Annars skulle inte kärnor binda, det skulle inte finnas några andra atomer än väte, och vi skulle inte existera. Varför?
När kvarkar upptäcktes experimentellt genom att slå ut dem ur en proton med energiska elektroner, forskare kom med "förklaringen" att en egenskap hos den starka kraften som kallas instängning var att fängsla kvarkar, hindrar dem från att observeras direkt. Dock, mysteriet kvarstod att ingen kunde ge teoretiska bevis som härledde inneslutning från QCD.
Den sena nobelpristagaren Yoichiro Nambu föreslog ett koncept som kallas "spontan symmetribrytning" var ansvarig för att skapa väsentligen masslösa partiklar motsvarande pioner. Det är därför dessa pioner är så lätta i vikt (i den verkliga världen, liten inre massa av kvarkar skapar inte helt masslösa partiklar). Men ännu en gång, ingen kunde visa att teorin om den starka kraften, QCD, inser det föreslagna spontana symmetribrottet.
(Vänster) Om pioner var tunga, de skulle inte kunna förmedla en stark kraft mellan två protoner, och som ett resultat skulle protonerna röra sig bort från varandra. (Höger) Hur lätta pioner i den verkliga världen kan binda samman två protoner genom att förmedla en stark kraft mellan dem. Med andra ord, om pioner inte var lätta, protoner och neutroner skulle inte kunna binda samman för att bilda kärnor, och de enda atomerna i universum skulle vara enkla protonväteatomer. Kredit:Kavli IPMU
Så Kavli Institute for the Physics and Mathematics of the Universe (Kavli IPMU) huvudforskare Hitoshi Murayama löste detta problem med hjälp av en version av teorin med en matematiskt elegant förbättring som kallas supersymmetri. Ändå har den verkliga världen inte supersymmetri. Murayama närmade sig den verkliga världen genom att använda ett specifikt sätt att bryta supersymmetri som kallas anomalimedling som han föreslog redan 1998.
Genom att göra så, Murayama lyckades visa att QCD verkligen leder till mycket lätta pioner, något som hade föreslagits av numeriska simuleringar med superdatorer, men tekniskt omöjligt med masslösa kvarkar att definitivt svara på frågan.
En sammanfattning av denna studie. (vänster) 1994, Nathan Seiberg och Edward Witten föreslog en modell med utökad supersymmetri för att visa att inneslutning var en konsekvens av Quantum Chromo Dynamics (QCD). (Höger) 1961, Yoichiro Nambu föreslog ett koncept för QCD som kallas kiral symmetribrytning, som gav en verklig världsrepresentation av den starka kraften. (Centrum) 2021, Hitoshi Murayama använde anomaliförmedling, som han och medarbetare föreslog 1998, att bryta supersymmetri, så att han kunde koppla Seiberg och Witten-modellen till den verkliga världen som Nambu hade föreslagit. Som ett resultat, Murayama kunde hitta teoretiska bevis för Nambus förutsägelse att pioner är lätta eftersom kiral symmetribrott inträffar i QCD. Kredit:Kavli IPMU
"Jag har alltid hoppats på att förstå hur den starka kärnkraften fungerar så att vi kan existera. Jag är väldigt glad över att jag lyckades bevisa Nambus teori från QCD som har varit så svår i decennier. Det här är en del av min långa strävan varför vi finns. Fysiken kanske inte är alltför långt borta från att svara på den här tusenåriga frågan, sa Murayama.
Studien kan öppna upp nya vägar till studiedynamiken hos icke-supersymmetriska gauge-teorier.
