Кварктарды мұздату: Двойной суперпроводимость моделінің түсіндірмесі

Кіріспе

Түстердің тұтқындалуын түсіндіруге жасалған модель. Кванттық хромодинамика теориясында, қос суперөткізгіш модельдер кварктардың тұтқындалуын суперөткізгіштіктің электромагниттік дуалды теориясы арқылы түсіндіруге тырысады.

Шолу

Электромагниттік дуалдық теорияда электр және магнит өрістерінің рөлдері ауыстырылады. BCS теориясы суперөткізгіштікті электр зарядтарының Купер жұптарына конденсациялануының нәтижесі ретінде түсіндіреді. Дуалды суперөткізгіште магниттік зарядтардың конденсациясы (магниттік монопольдер деп те аталады) арқылы ұқсас эффект пайда болады. Кәдімгі электромагниттік теорияда монопольдердің бар екені дәлелденбеген. Дегенмен, кванттық хромодинамикада – кварктар арасындағы күшті өзара әрекеттесуді түсіндіретін түс зарядтарының теориясында – түс зарядтары электр зарядтарының (абельдік емес) аналогтары ретінде қарастырылуы мүмкін, ал сәйкес магниттік монопольдердің бар екені белгілі. Дуалды суперөткізгіш модельдері осы магниттік монопольдердің суперөткізгіш күйде конденсациялануының түсқамауын түсіндіреді – төмен энергияда тек бейтарап түсті байланысқан күйлер ғана байқалады. Сапалық тұрғыдан, дуалды суперөткізгіш модельдеріндегі түсқамауды Мейснер эффектісіне дуалды әсер ретінде түсінуге болады. Мейснер эффектісінде суперөткізгіш металл өзінің ішкі кеңістігінен магнит өрісінің сызықтарын шығаруға тырысады. Егер магнит өрісі суперөткізгіш арқылы күштеп өткізілсе, өріс сызықтары магниттік ағынның «түтіктері» деп аталатын флюксондарда қысылады. Дуалды суперөткізгіште магниттік және электр өрістерінің рөлдері ауыстырылады және Мейснер эффектісі электр өрісінің сызықтарын шығаруға тырысады. Кварктар мен антикварктар қарама-қарсы түс зарядтарын алып жүреді, ал кварк-антикварк жұбы үшін «электрлік» өріс сызықтары кварктан антикваркқа дейін созылады. Егер кварк-антикварк жұбы дуалды суперөткізгішке енгізілсе, электр өрісінің сызықтары ағын түтігіне қысылады. Түтіктің энергиясы оның ұзындығына пропорционалды, ал кварк-антикварк жұбының потенциалдық энергиясы олардың арақашықтығына пропорционалды. Түсті объектілердің потенциалдық энергиясы үлкен арақашықтық шегінде шексіз болады, егер басқа факторлар өзгермесе, бірақ шындығында, ол вакуумнан жаңа кварк-антикварк жұбын құру үшін жеткілікті үлкен болғанда, олар ағын түтігін бөліп, бастапқы антикварк пен кваркқа байланысады. Сондықтан кварк-антикварк жұбы олардың арақашықтығына қарамастан әрқашан байланысады, бұл неге ешқашан байланыспаған кварктар табылмайтынын түсіндіреді. Дуалды суперөткізгіштер Ландау-Гинцбург моделімен сипатталады, ол Абельдік Хиггс моделіне эквивалентті. MIT қапшық моделінің глюондық өрістерге қатысты шекаралық шарттары дуалды түсті суперөткізгіштерге тән. Дуалды суперөткізгіш моделіне негіз болған торлы өлшеу теориясын қолдана отырып жасалған есептеулер. Алайда, бұл модельдің кейбір кемшіліктері де бар. Атап айтқанда, ол түсті кварктарды шектесе де, кейбір глюондардың түсін шектемейді, бұл бөлшектердің соқтығысуында байқалатын энергияларда түсті байланысқан күйлердің пайда болуына мүмкіндік береді.

In an electromagnetic dual theory the roles of electric and magnetic fields are interchanged. The BCS theory of superconductivity explains superconductivity as the result of the condensation of electric charges to Cooper pairs. In a dual superconductor an analogous effect occurs through the condensation of magnetic charges (also called magnetic monopoles). In ordinary electromagnetic theory, no monopoles have been shown to exist. However, in quantum chromodynamics — the theory of color charge which explains the strong interaction between quarks — the color charges can be viewed as (non abelian) analogues of electric charges and corresponding magnetic monopoles are known to exist. Dual superconductor models posit that condensation of these magnetic monopoles in a superconductive state explains color confinement — the phenomenon that only neutrally colored bound states are observed at low energies. Qualitatively, confinement in dual superconductor models can be understood as a result of the dual to the Meissner effect. The Meissner effect says that a superconducting metal will try to expel magnetic field lines from its interior. If a magnetic field is forced to run through the superconductor, the field lines are compressed in magnetic flux "tubes" known as fluxons. In a dual superconductor the roles of magnetic and electric fields are exchanged and the Meissner effect tries to expel electric field lines. Quarks and antiquarks carry opposite color charges, and for a quark–antiquark pair 'electric' field lines run from the quark to the antiquark. If the quark–antiquark pair are immersed in a dual superconductor, then the electric field lines get compressed to a flux tube. The energy associated to the tube is proportional to its length, and the potential energy of the quark–antiquark is proportional to their separation. The potential energy of colored objects becomes infinite in the limit of large separation, all else being equal, though in reality, when it becomes large enough to form a new quark anti quark pair from the vacuum, these split the flux tube and bind to the original anti quark and quark. A quark–antiquark will therefore always bind regardless of their separation, which explains why no unbound quarks are ever found. Dual superconductors are described by (a dual to) the Landau–Ginzburg model, which is equivalent to the Abelian Higgs model. The MIT bag model boundary conditions for gluon fields are those of the dual color superconductor. The dual superconductor model is motivated by several observations in calculations using lattice gauge theory. The model, however, also has some shortcomings. In particular, although it confines colored quarks, it fails to confine color of some gluons, allowing colored bound states at energies observable in particle colliders.