Физики-ядерщики уже давно работают над тем, чтобы выяснить, как протон вращается. Теперь новый метод, который объединяет экспериментальные данные с современными расчетами, выявил более подробную картину вклада спина от того самого клея, который удерживает протоны вместе. Это также открывает путь к визуализации трехмерной структуры протона.

Работу возглавил Джозеф Карпи, научный сотрудник Центра теоретической и вычислительной физики (Теоретического центра) Национального ускорительного комплекса Томаса Джефферсона Министерства энергетики США.

Он сказал, что эта многолетняя загадка началась с измерений источников вращения протона в 1987 году. Первоначально физики думали, что строительные блоки протона, его кварки, будут основным источником вращения протона. Но это не то, что они нашли. Оказалось, что кварки протона обеспечивают лишь около 30% общего измеренного спина протона. Остальное поступает из двух других источников, которые пока сложнее измерить.

Одна из них — таинственная, но мощная сильная сила. Сильная сила — одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной. Это то, что «склеивает» кварки вместе, образуя другие субатомные частицы, такие как протоны или нейтроны. Проявления этой сильной силы называются глюонами, которые, как полагают, способствуют вращению протона. Считается, что последнее вращение возникает в результате движения кварков и глюонов протона.

«Эта статья представляет собой своего рода объединение двух групп в Теоретическом центре, которые пытались понять одну и ту же часть физики, а именно: как глюоны, находящиеся внутри нее, способствуют тому, насколько сильно вращается протон? ,» он сказал.

Он сказал, что это исследование было вдохновлено загадочным результатом, полученным в результате первоначальных экспериментальных измерений спина глюонов. Измерения проводились на релятивистском коллайдере тяжелых ионов, пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики США, расположенном в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Поначалу казалось, что данные указывают на то, что глюоны могут вносить вклад в вращение протона. Они показали положительный результат.

Но по мере улучшения анализа данных появилась еще одна возможность.

«Когда они улучшили свой анализ, они начали получать два набора результатов, которые казались совершенно разными: один был положительным, а другой отрицательным», — объяснил Карпи.

Хотя более ранний положительный результат показал, что спины глюонов совпадают со спинами протона, улучшенный анализ позволил предположить, что спины глюонов вносят общий отрицательный вклад. В этом случае большая часть спина протона будет зависеть от движения кварков и глюонов или от вращения самих кварков.

Этот загадочный результат был опубликован коллаборацией Angular Momentum (JAM) лаборатории Джефферсона.

Между тем, коллаборация HadStruc рассматривала те же измерения по-другому. Они использовали суперкомпьютеры для расчета базовой теории, описывающей взаимодействия между кварками и глюонами в протоне, — квантовой хромодинамики (КХД).

Чтобы оборудовать суперкомпьютеры для проведения таких интенсивных вычислений, теоретики несколько упрощают некоторые аспекты теории. Эта несколько упрощенная версия для компьютеров называется решеточной КХД.

Карпи возглавил работу по объединению данных обеих групп. Он начал с объединения данных экспериментов, проведенных на объектах по всему миру. Затем он добавил в свой анализ результаты расчетов решеточной КХД.

«Это объединяет все, что мы знаем о спине кварков и глюонов , а также о том, как глюоны способствуют вращению протона в одном измерении», — сказал Дэвид Ричардс, старший научный сотрудник лаборатории Джефферсона, работавший над исследованием.

«Когда мы это сделали, мы увидели, что негативные моменты не исчезли, а резко изменились. Это означало, что с ними происходит что-то забавное», — сказал Карпи.

Карпи — ведущий автор исследования, которое недавно было опубликовано в журнале Physical Review D. По его словам, главный вывод заключается в том, что объединение данных обоих подходов дало более обоснованный результат.

«Мы объединяем оба наших набора данных и получаем лучший результат, чем каждый из нас мог бы получить по отдельности. Это действительно показывает, что мы узнаем гораздо больше, объединяя решеточную КХД и эксперименты вместе в одном анализе проблемы», — сказал Карпи. «Это первый шаг, и мы надеемся продолжать делать это со все большим и большим количеством наблюдаемых, а также создавать больше данных решетки».

Следующим шагом является дальнейшее улучшение наборов данных. Поскольку более мощные эксперименты предоставляют более подробную информацию о протоне, эти данные начинают рисовать картину, выходящую за рамки одного измерения. И по мере того, как теоретики узнают, как улучшить свои расчеты на все более мощных суперкомпьютерах, их решения также становятся более точными и всеобъемлющими.

Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге получить трехмерное понимание структуры протона.

«Итак, мы узнали, что наши инструменты работают в более простом одномерном сценарии. Тестируя наши методы сейчас, мы надеемся, что будем знать, что нам нужно делать, когда мы захотим перейти к созданию трехмерной структуры», — сказал Ричардс. «Эта работа будет способствовать созданию трехмерного изображения того, как должен выглядеть протон. Так что все дело в том, чтобы найти путь к сути проблемы, выполнив сейчас более простые задачи».