Намагниченная и плотная ранняя Вселенная в моделировании из первых принципов
Название проекта:
Намагниченная и плотная ранняя Вселенная в моделировании из первых принципов
Номер соглашения:
21-72-00121
Руководитель проекта:
Гой Владимир Александрович
Сроки выполнения:
28.07.2020-30.06.2023
Основные полученные результаты:
Настоящая работа по гранту посвящена исследованию фазовых переходов, происходящих при разных температурах на разных этапах формирования ранней Вселенной. Мы изучали два фазовых перехода, возникших за первые десять микросекунд существования нашей Вселенной. Переходы возникали каскадом по мере того, как ранняя Вселенная остывала после Большого взрыва. Первый переход – это спонтанное нарушение электрослабой симметрии, которое произошло при температуре около двух квадриллионов градусов. Второй переход возник в теории сильного взаимодействия при гораздо более холодной температуре около двух триллионов градусов. Это фазовый переход конфайнмент-деконфайнмент, который еще не получил своего теоретического объяснения. Исследования первого перехода (спонтанное нарушение электрослабой симметрии) выполнено в увеличенном объеме, дополнительно была добавлена проверка наличия первого фазового перехода связанное с образованием вихревой структуры в присутствии магнитного поля при больших массах Z-бозона (больше массы Хиггса) и наблюдение восстановления электрослабой симметрии при конечной температуре. Были найдены параметры модели при которых реализуется массивный Z-бозон (m_Z>m_H, где m_H -- масса Хиггса). Масса Z-бозона m_Z=209(1) ГэВ, что в ~1,67 раз больше массы Хиггса. Из восприимчивости конденсата Хиггса обнаружен один переход, связанный с восстановлением электрослабой симметрии в районе g'B_Y/m_H^2~1. Поведение конденсата Хиггса в диапазоне g'B_Y/m_H^2~(0.75, 1) показывает, что вакуум пробивается и реализуется один вихрь, данный эффект похож на поведение магнитного поля в сверхпроводниках первого рода. На решетке также было наблюдено восстановление электрослабой симметрии при конечной температуре. Определены параметры модели, при которых реализуется легкий Хиггс в решеточных единицах (m_H*a=0.13674(27)). Определена температура восстановления электрослабой симметрии при нуле магнитного поля: T_c = (206 +- 23) ГэВ. Уже после T > 60 ГэВ наблюдается снижение величины конденсата Хиггса, при достижении температуры значение T_c конденсат имеет наименьшее значение, дальнейшее увеличение температуры приводит к увеличению квантовых флуктуаций поля Хиггса. Восприимчивость конденсата Хиггса имеет плавное поведение в области перехода, что свидетельствует об отсутствии как таковых фазовых переходов, реализуется мягкий кроссовер. Исследования первого года работы по гранту были опубликованы а работе (Phys. Rev. Let. 130, 111802 (2023)) [https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.111802]. Нами получена фазовая структура вакуума электрослабой теории в присутствии сильного магнитного поля. Мы подтвердили, что вакуум испытывает два последовательных перехода. Эти переходы являются плавными кроссоверами. При достижении магнитным полем первого псевдокритического значения B_c1 вакуум превращается в промежуточную неоднородную фазу, характеризующуюся падением величины конденсата Хиггса и наличием классически больших конденсатов W- и Z- бозонов. Затем при втором псевдокритическом значении B_c2 неоднородности исчезают и электрослабая симметрия восстанавливается. Исследования второго перехода (конфайнмент-деконфайнмент), связанные со структурой вакуума в теории сильного взаимодействия проводились с трех сторон, а именно исследовались влияния внешних факторов: вращение, граничные условия, кварковый химический потенциал, - на фазовую структуру модели. Была рассмотрена задача о влиянии вращения на структуру вакуума теории Янга-Миллса в 3+1 измерениях. Получены результаты численного моделирования теории Янга-Миллса с калибровочной группой SU(3), вращающейся с высокой мнимой угловой частотой. Вращение вводится через "rotwisted" (закрученные) граничные условия вдоль мнимого направления времени. Петля Полякова в евклидовой системе отсчета, вращающейся в одном направлении, показывает появление пространственно-неоднородной фазы конфайнмента-деконфайнмента посредством широкого кроссоверного перехода. Сопоставление наших численных результатов с пространством-временем Минковского предполагает, что глюонная плазма, вращающаяся с реальной угловой частотой, создает новую неоднородную фазу, обладающую фазой удержания (конфайнмента) вблизи оси вращения и фазой деконфайнмента во внешних областях. Была рассмотрена задача о влиянии граничных условий на структуру вакуума Янга-Миллса в 3+1 измерениях (исследование неабелевого эффекта Казимира). Используя численное моделирование, мы исследовали непертурбативную энергию Казимира, генерируемую двумя близко расположенными хромометаллическими зеркальными пластинами при нулевой температуре в SU(3) калибровочной решеточной теории в 3+1 пространственновременном измерениях. Мы обнаружили новое глюонное состояние -- "глютон", с массой m_gt = 0.49(5) ГэВ. Мы интерпретируем глютон как бесцветное состояние глюонов, связанных со своими отрицательно окрашенными изображениями в хромометаллическом зеркале (неабелев аналог поверхностного электронно-дырочного экситона в полупроводниках). Мы также указываем на существование "кваркитонного" (кваркового экситона) бесцветного состояния в КХД, образованного одиночным кварком с его антикварковым изображением в хромометаллическом зеркале. Поразительно, но масса обменной частицы m_gt существенно меньше массы глюбола в основном состоянии M_{0^{++}} = 3.405(21) sqrt(sigma) = 1.653(26) ГэВ. Масса глюбола в основном состоянии M_{0^{++}} определяет массовую щель вдали от границ. В то же время масса m_gt характеризует новое возбуждение в теории Янга-Миллса, возникающее исключительно на границе. Влияние кваркового химического потенциала на фазовую структуру КХ2Д была рассмотрена при нулевой и конечной температуре. Для нулевой температуры симуляции выполнены на решетках 24х32^3 и 40^4. Натяжение струны явно показывает зависимость от временного размера решетки. На решетке 40^4 переход конфайнмент-деконфайнмент реализуется в районе mu*a=0.4. Энергия (E), давление (p) и энтропия ведут себя как гладкие функции от химического потенциала, слабо возрастая до перехода. При mu*a>0.4 энергия, давление и энтропия начинают линейно возрастать с химическим потенциалом. Аномалия следа тензора энергии импульса (E-3p) имеет минимум при mu*a=0.35 при дальнейшем увеличении химического потенциала величина аномалии возрастает. Изучение влияния конечного размера решетки на фазовый переход при нулевой температуре показал существенную зависимость от размера решетки по времени. Конечное Nt на симметричной решетке реализует не нулевую температуру. Данный факт усугубляется при увеличении кваркового химического потенциала. Для конечной температуры выполнен анализ кварковой плотность в области мнимого химического потенциалла. Получены коэффициенты разложения в ряд Тейлора. Результаты с Nt=6 и 10 хорошо фитируются полиномом, а значит они соответствуют температуре выше критической Tc. Теория с Nt=14 соответствует конфайнменту. Для Nt=12 и 14 используется ряд по синусам. Результаты аналитического продолжения для полинома в области T>Tc хорошо согласуются с данными при mu/T<1.0. При увеличении температуры (уменьшении Nt) согласие улучшается. В конфайнменте фит в виде ряда по синусам при аналитическом продолжении превращается в ряд по гиперболическим синусам. При увеличении числа членов такого ряда ряд будет все быстрее расходится. Тем не менее при Nt=14 аналитическое продолжение при mu/T<0.5 работает отлично.
Список основных публикаций:
Чернодуб М.Н., Гой В.А., Молочков А.В. (Chernodub M.N., Goy V.A., Molochkov A.V.) Phase Structure of Electroweak Vacuum in a Strong Magnetic Field: The Lattice Results PHYSICAL REVIEW LETTERS 111802, 130 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.130.111802 (2023 г.)
Результаты интеллектуальной деятельности:
1. Авторы РИД: Танашкин А.С., Гой В.А. Вид РИД: Программа для электронных вычислительных машин (программы для ЭВМ) Название РИД: Реализация алгоритма тепловой бани для SU(2) калибровочной теории Дата заявки на регистрацию РИД / Реквизиты (номер патента или свидетельства о государственной регистрации) документа об охране исключительных прав (при наличии): 06.05.2022 / Свидетельство о государственной регистрации 2022660078 Перечень правообладателей: ДВФУ
2. Авторы РИД: Гой В.А., Танашкин А.С. Вид РИД: Программа для электронных вычислительных машин (программы для ЭВМ) Название РИД: Реализация SU(2) матриц и операций над ними для решеточной теории поля с поддержкой GPU Дата заявки на регистрацию РИД / Реквизиты (номер патента или свидетельства о государственной регистрации) документа об охране исключительных прав (при наличии): 01.02.2023 / Свидетельство о государственной регистрации 2023612655 Перечень правообладателей: ДВФУ