Физик, начинающий карьеру, математически связывает временные и пространственноподобные форм-факторы, открывая дверь к дальнейшему пониманию внутренних механизмов сильного взаимодействия. Новое вычисление решеточной КХД связывает две, казалось бы, разрозненные реакции с участием пиона, самой легкой частицы, управляемой сильным взаимодействием.

Будучи студентом бакалавриата в Tecnológico de Monterrey в Мексике, Фелипе Ортега-Гама работал в Национальном ускорительном комплексе имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США в рамках программы стажировок в научных лабораториях бакалавриата. Там Ортега-Гама работал с Раулем Брисеньо, который был совместно назначенным штатным научным сотрудником в Центре теоретической и вычислительной физики (теоретический центр) лаборатории и профессором в Университете Олд Доминион.

Брисеньо познакомил его с квантовой хромодинамикой (КХД), теорией, описывающей сильное взаимодействие. Это сила, которая связывает кварки и глюоны вместе, образуя протоны, нейтроны и другие частицы, которые в общем называются адронами. Теоретики используют решеточную КХД, вычислительный метод решения КХД, чтобы делать предсказания на основе этой теории. Затем эти предсказания используются для интерпретации результатов экспериментов с адронами.

«Рауль показал мне этот график, на котором были расчеты и экспериментальные измерения массы для группы частиц, лежащих друг на друге», — сказал Ортега-Гама, который был поражен тем, насколько хорошо совпали предсказания и измерения. «Тогда я впервые понял, что можно использовать КХД для точного предсказания свойств всех этих частиц».

Этот момент привлек Ортегу-Гаму к работе с КХД и в Лабораторию Джефферсона. Несмотря на успех, показанный в сюжете, физики пока не смогли использовать КХД для вычисления всей возможной информации о кварках, глюонах и частицах, которые они составляют.

Будучи аспирантом в William & Mary, Ортега-Гама воспользовался тесными связями университета с лабораторией и снова начал работать с Брисеньо, а также с Йозефом Дудеком, старшим научным сотрудником в Jefferson Lab, занимавшим совместную должность в William & Mary, чтобы более глубоко понять квантовую хромодинамику.

В результате этого сотрудничества Ортега-Гама стал ведущим автором расчета решеточной КХД, опубликованного в Physical Review D , который связывает две, казалось бы, разрозненные реакции с участием пиона — легчайшей частицы, управляемой сильным взаимодействием.

Взаимосвязь в расчетах КХД

Одна реакция известна как пространственноподобный процесс, где электрон отскакивает от пиона. Вторая реакция, известная как времениподобный процесс, происходит, когда электрон и антиэлектрон сталкиваются, уничтожают друг друга и производят два пиона.

«На первый взгляд, эти два процесса выглядят совершенно по-разному», — сказал Дудек. «Но на самом деле они описываются одной и той же физикой. Их диаграммы просто повернуты относительно друг друга. Фелипе показал в одном расчете, выполненном на уровне кварков и глюонов, что они связаны гладким и простым образом».

Этот численный расчет одновременно способен описывать пространственноподобные и времениподобные процессы, демонстрируя взаимосвязь различных реакций, описанных КХД. Хотя эта связь наблюдалась экспериментально, теперь у физиков есть математика, чтобы подтвердить ее.

Предыдущая работа Ортеги-Гамы мотивировала этот инаугурационный расчет. После того, как частицы сталкиваются в эксперименте, продукты столкновения разлетаются наружу, пока не будут захвачены детектором, пролетая расстояние, значительно большее, чем досягаемость сильного взаимодействия, «теоретическая бесконечность». Но во время численных расчетов, которые ограничены доступной вычислительной мощностью, эти частицы помещаются в конечный ящик, всего в несколько раз больший, чем диапазон сильного взаимодействия.

«Это проблема, потому что как вы соотносите результаты, полученные для конечного объема, с результатами, полученными для бесконечного объема, измеренными вашим экспериментальным детектором?» — сказал Ортега-Гама.

Чтобы решить эту проблему, Брисеньо, Дудек и другие члены сообщества разработали формализм — набор математических соотношений, который, как только у вас на руках будут числовые результаты, позволит сделать прогноз для бесконечного объема.

Ортега-Гама совместно с Брисеньо развили этот формализм для вычисления формфакторов других адронов, которые, в отличие от пиона, нестабильны при сильном взаимодействии.

«У Фелипе были действительно впечатляющие работы по формализму до этой работы», — сказал Дудек. «И самые сильные исследователи, я бы сказал, в нашей области решеточной КХД — это те, кто имеет опыт в обоих формализмах и в фактическом выполнении численных расчетов и работе с числовыми данными. Этот парень может делать обе эти вещи на самом высоком уровне».

Будучи его научным руководителем по докторской диссертации, Дудек еженедельно встречался с Ортегой-Гамой в ходе этого проекта для уточнения вычислений и обмена идеями.

«На каждом этапе расчетов я мог обратиться к нему за помощью, чтобы мы могли адаптировать код к конкретному типу исследования, которое нас интересовало», — сказал Ортега-Гама.

Взаимосвязь в ядерной физике

И Дудек, и Брисеньо являются старшими членами коллаборации Hadron Spectrum (HadSpec), которая использует решеточную КХД для вычисления свойств адронов. Работа Ортеги-Гамы использовала вычислительную инфраструктуру, разработанную коллаборацией.

«Этот проект родился из бесед с разными участниками этого сотрудничества», — сказал Ортега-Гама.

Например, член HadSpec Роберт Эдвардс, штатный научный сотрудник в Теоретическом центре Jefferson Lab, разработал огромный набор кодов, который упрощает вычисления решетчатой ​​QCD. Ортега-Гама использовал эту кодовую базу, а также опыт Эдвардса в этой работе.

В конечном итоге, это сотрудничество привело Ортегу-Гаму к его нынешней должности: постдокторант в Калифорнийском университете в Беркли. Он приступил к работе там в сентябре 2024 года, чтобы продолжить работу над расчетами QCD с Брисеньо, который сейчас является профессором Калифорнийского университета в Беркли.

«Безусловно, было полезно иметь такую ​​важную работу, способствующую переходу от степени доктора философии к степени доктора наук», — сказал Ортега-Гама.