北京
物理学家追踪电荷对的出现与扩散，揭示简化规范理论中隐藏的动力学。
量子模拟器让物理学家得以重新审视粒子物理学预测的最奇特过程之一。
当连接两个基本粒子——一个夸克和它的反物质对应物反夸克——的不可见弦被拉伸到如此之远，以至于新粒子可以开始形成时，会发生什么？
研究人员在一个可控量子系统中重建了这一底层动力学，发现弦断裂可以先从边缘开始，然后向内扩散。
这一结果揭示了一种不同于传统粒子-反粒子产生图景的机制，并可能为研究原本难以计算的现象提供新方法。
“这些发现标志着量子科学领域的一项显著进展，并为我们理解弦断裂动力学开辟了新途径，”该研究作者之一、杜克大学教授克里斯托弗·门罗说。
一条能产生新粒子的弦
这一想法来自量子色动力学，即描述强相互作用的理论。夸克携带一种称为色荷的电荷，并且从不单独出现。它们被禁闭在质子、中子等粒子内部。
当夸克和反夸克被拉开时，它们之间的能量并不会随距离简单减弱。相反，随着胶子场形成通量管，能量会增加；这个通量管常被描绘成连接两者的弦。
如果积累的能量足够多，再产生一个夸克-反夸克对就会在能量上变得有利，从而有效地使原来的弦碎裂。
直接研究这些动力学很困难，因为对经典计算机而言，计算它们的实时演化变得越来越苛刻，尤其是当系统产生大量量子纠缠时。
这项新实验提供了一种方法，可以在受控量子系统中考察相关动力学，而不必试图复现现实世界量子色动力学的全部复杂性。
把规范理论变成量子实验
为了在可操作的实验室系统中重建夸克禁闭物理，研究人员在一个可编程囚禁离子量子模拟器上，使用了一种简化的一维规范理论模型，称为 Z₂ 格点规范理论。
与在三个空间维度中运作的完整强相互作用理论不同，这个模型把问题简化为一维链，同时保留电荷、弦和禁闭等关键特征。
随后，研究人员将这一规范理论转换为一种等效量子自旋模型，该模型可以用囚禁离子实现，并用激光束控制。在这种映射中，类粒子电荷表现为不同取向自旋之间的“扭结”，而电场弦则变成一片指向相反方向的自旋区域。
实验使用了由15个离子组成的链，但只有中心的13个离子被主动驱动并纳入模拟系统。精确控制的激光束编程了离子之间的相互作用，而另一组紧密聚焦的激光束控制局部磁场。
这使研究人员能够创建等效的静态电荷和弦，然后突然改变系统条件。在研究完整弦之前，研究人员测试了一个孤立有效电荷如何在模拟系统中移动。
在弦张力很小或为零时，电荷在链中自由扩散。随着张力增加——即模拟弦每单位长度储存的能量增加——电荷变得受限，并经历局域相干振荡。
随后，研究人员制备了一条在两个静态电荷之间拉伸的模拟弦，并突然增加其张力，使系统远离平衡。通过追踪电荷分布沿链和时间的变化，他们发现新的有效电荷对优先出现在弦的两端附近。
在较弱张力下，这些对仍集中在边缘附近并振荡。在较强张力下，它们从边缘传播出去并向中心扩散。这种行为不同于传统的施温格机制，后者中强场会在整个内部区域产生粒子-反粒子对。
研究人员的分析表明，模拟系统中的突然变化首先在弦边缘附近产生电荷对的量子叠加。随后，这些对可以根据量子动力学在系统中移动。
这项实验对物理学意味着什么
该实验并未展示真实夸克的产生，也没有复现强相互作用的完整三维物理。
相反，它表明，一个可编程囚禁离子系统能够足够接近地复现并解析一个相关规范理论的实时行为，从而揭示出一种意想不到的弦断裂机制。
下一步是让模拟环境更加真实。研究人员计划研究涉及彼此远离的探针电荷的装置，以及完全动态的弦及其周围环境。
这类实验可能有助于确定这种边缘驱动机制是否对高能碰撞和早期宇宙演化具有更广泛的相关性。
“在量子模拟和高能物理的交叉领域工作令人无比兴奋。通过在受控实验室环境中模拟夸克禁闭和弦断裂现象，我们正在为实验研究物质在最基本层面上的行为开辟新途径，”该研究第一作者阿林乔伊·德说。
该研究发表在《自然·物理》杂志上。
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