Введение

Соответствие между пространством анти-де-Ситтера и квантовой хромодинамикой

В теоретической физике соответствие анти-де-Ситтера/квантовой хромодинамики представляет собой задачу (пока не решенную) описания квантовой хромодинамики (КХД) в терминах двойной гравитационной теории, основываясь на принципах соответствия AdS/CFT в ситуации, когда квантовая теория поля не является конформной теорией поля.

История

Предложение о соответствии AdS/CFT в конце 1997 года стало кульминацией долгой истории усилий по установлению связи между теорией струн и ядерной физикой. Фактически, теория струн была первоначально разработана в конце 1960-х и начале 1970-х годов как теория адронов – субатомных частиц, таких как протон и нейтрон, удерживаемых вместе сильным ядерным взаимодействием. Идея заключалась в том, что каждую из этих частиц можно рассматривать как различные моды колебаний струны. В конце 1960-х годов экспериментаторы обнаружили, что адроны образуют семейства, называемые траекториями Редже, где квадрат энергии пропорционален угловому моменту, и теоретики показали, что эта зависимость естественным образом вытекает из физики вращающейся релятивистской струны. Однако попытки моделировать адроны как струны столкнулись с серьезными проблемами. Одной из проблем было то, что теория струн предсказывает существование безмассовой частицы со спином 2, в то время как в физике адронов подобной частицы не наблюдается. В то же время стало известно, что адроны на самом деле состоят из кварков, и струнный подход был заброшен в пользу квантовой хромодинамики. В конце 1997 года Хуан Малдасена опубликовал основополагающую работу, положившую начало изучению соответствия AdS/CFT. Один из частных случаев предложения Малдакены утверждает, что N = 4 суперсимметричная теория Янга-Миллса, калибровочная теория, в некотором смысле схожая с квантовой хромодинамикой, эквивалентна теории струн в пятимерном пространстве анти-де Ситтера. Этот результат помог прояснить более ранние работы 't Hooft о связи между теорией струн и квантовой хромодинамикой, вернув теорию струн к её истокам как теории ядерной физики.

Применение AdS/CFT

Одной из физических систем, которая была изучена с использованием соответствия AdS/CFT, является кварк-глюонная плазма, экзотическое состояние материи, производимое в ускорителях частиц. Это состояние материи возникает на короткие мгновения, когда тяжелые ионы, такие как ядра золота или свинца, сталкиваются при высоких энергиях. Такие столкновения приводят к деконфайнменту кварков, составляющих атомные ядра, при температурах примерно в два триллиона кельвинов, что соответствует условиям, существовавшим примерно через секунды после Большого взрыва. Физикой кварк-глюонной плазмы управляет квантовая хромодинамика, однако эта теория математически неразрешима при решении задач, связанных с кварк-глюонной плазмой. В статье, опубликованной в 2005 году, Đàm Thanh Sơn и его коллеги показали, что соответствие AdS/CFT можно использовать для понимания некоторых аспектов кварк-глюонной плазмы, описывая ее на языке теории струн. Применяя соответствие AdS/CFT, Sơn и его коллеги смогли описать кварк-глюонную плазму в терминах черных дыр в пятимерном пространстве-времени. Расчет показал, что отношение двух величин, связанных с кварк-глюонной плазмой – динамической вязкости и объемной плотности энтропии – должно быть приблизительно равно определенной универсальной постоянной:

где обозначает приведенную постоянную Планка, а – постоянную Больцмана. Кроме того, авторы предположили, что эта универсальная постоянная задает нижнюю границу для в большом классе систем. В эксперименте, проведенном на релятивистском коллайдере тяжелых ионов в Брукхейвенской национальной лаборатории, экспериментальный результат в одной модели оказался близок к этой универсальной константе, но в другой модели – нет. Другим важным свойством кварк-глюонной плазмы является то, что высокоэнергетические кварки, движущиеся сквозь плазму, останавливаются или "гасятся" после прохождения всего нескольких фемтометров. Это явление характеризуется числом, называемым параметром подавления струй, которое связывает потерю энергии такого кварка с квадратом пройденного им расстояния в плазме. Расчеты, основанные на AdS/CFT, дают оценочное значение ~ 4, а экспериментальное значение лежит в диапазоне 5.

Критика

Несмотря на то, что многие физики обращаются к методам, основанным на теории струн, для решения проблем в ядерной и физике конденсированного состояния, некоторые теоретики, работающие в этих областях, выразили сомнения в том, может ли соответствие AdS/CFT предоставить инструменты, необходимые для реалистичного моделирования реальных систем. В докладе на конференции Quark Matter в 2006 году Ларри Маклерран отметил, что теория супер-Янга — Миллса, возникающая в соответствии AdS/CFT, значительно отличается от квантовой хромодинамики, что затрудняет применение этих методов к ядерной физике. По словам Маклеррана, text="Суперсимметричный Янг — Миллс не является КХД. Он не имеет масштаба массы и является конформно инвариантным. В нем отсутствует конфайнмент и бегущая константа связи. Он суперсимметричен. В нем нет спонтанного нарушения хиральной симметрии или генерации массы. В сопряженном представлении содержится шесть скалярных бозонов и фермионов. Возможно, удастся исправить некоторые или все вышеперечисленные проблемы, или, для различных физических задач, некоторые возражения могут оказаться нерелевантными. На данный момент нет консенсуса и убедительных аргументов в пользу предполагаемых исправлений или явлений, которые гарантировали бы, что результаты, полученные для суперсимметричного Янга — Миллса, надежно отражают КХД."