Глубоко внутри того, что мы воспринимаем как твердую материю, ландшафт совсем не неподвижен. Внутренность строительных блоков ядра атома — частиц, называемых адронами, которые ученик старшей школы узнал бы как протоны и нейтроны — состоит из бурлящей смеси взаимодействующих кварков и глюонов, известных под общим названием партоны.

Группа физиков теперь объединилась, чтобы составить карту этих партонов и разобраться, как они взаимодействуют, образуя адроны. На базе Национального ускорительного комплекса имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США и известного как HadStruc Collaboration, эти физики-ядерщики работают над математическим описанием взаимодействия партонов. Их последние результаты были недавно опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.

«HadStruc Collaboration — это группа, базирующаяся в Центре теории Jefferson Lab и некоторых близлежащих университетах», — сказал член HadStruc Джозеф Карпи, научный сотрудник-постдокторант в Центре теоретической и вычислительной физики Jefferson Lab. «У нас есть несколько человек в William & Mary и Old Dominion University».

Другими членами коллаборации, которые являются соавторами статьи, являются ученые из Jefferson Lab Роберт Эдвардс, Колин Эгерер, Элой Ромеро и Дэвид Ричардс. Кафедра физики William & Mary представлена ​​Эрве Дютрье, Кристофером Монаханом и Костасом Оргиносом, который также занимает совместную должность в Jefferson Lab. Анатолий Радюшкин также является совместным преподавателем Jefferson Lab, связанным с Old Dominion University, а Саввас Зафейропулос работает в Université de Toulon во Франции.

Сильная теория

Компоненты адронов, называемые партонами, связаны между собой сильным взаимодействием — одной из четырех фундаментальных сил природы, наряду с гравитацией, электромагнетизмом и слабым взаимодействием, которое наблюдается при распаде частиц.

Карпи объяснил, что члены HadStruc Collaboration, как и многие физики-теоретики по всему миру, пытаются определить, где и как кварки и глюоны распределены внутри протона. Группа использует математический подход, известный как решеточная квантовая хромодинамика (КХД), чтобы вычислить, как устроен протон.

Дютрие, научный сотрудник William & Mary, объяснил, что в статье группы излагается трехмерный подход к пониманию адронной структуры через линзу КХД. Этот подход затем был реализован с помощью суперкомпьютерных вычислений.

Трехмерная концепция основана на понятии обобщенных партонных распределений (GPD). GPD предлагают теоретические преимущества по сравнению со структурами, визуализированными с помощью одномерных функций партонного распределения (PDF), более старого подхода QCD.

«Ну, GPD намного лучше в том смысле, что он позволяет вам прояснить один из больших вопросов, которые у нас есть о протоне, а именно, как возникает его спин», — сказал Дютрие. «Одномерная PDF дает вам очень, очень ограниченную картину этого».

Он объяснил, что протон состоит в первом приближении из двух верхних кварков и одного нижнего кварка, известных как валентные кварки. Валентные кварки опосредованы переменным списком глюонов, порожденных сильными взаимодействиями, которые склеивают кварки вместе. Эти глюоны, а также пары кварков-антикварков, обычно обозначаемые как море кварков-антикварков, когда их отличают от валентных кварков, постоянно создаются и растворяются обратно в сильном взаимодействии.

Одно из ошеломляющих открытий в области спина протона произошло в 1987 году, когда экспериментальные измерения показали, что спин кварков составляет менее половины общего спина протона. Фактически, значительная часть спина протона может возникать из спина глюона и движения партонов в форме орбитального углового момента. Для прояснения этой ситуации все еще необходимо приложить много экспериментальных и вычислительных усилий.

«GPD представляют собой многообещающую возможность получить доступ к этой орбитальной угловой части и дать надежное объяснение того, как спин протона распределяется между кварками и глюонами», — отметил Дютрье.

Он продолжил, сказав, что еще одним аспектом, который сотрудничество надеется рассмотреть с помощью GPD, является концепция, известная как тензор энергии-импульса.

«Тензор энергии-импульса на самом деле говорит вам, как энергия и импульс распределены внутри вашего протона», — сказал Дютрье. «Они также говорят вам, как ваш протон взаимодействует с гравитацией. Но сейчас мы просто изучаем его распределение материи».

Моделирование данных

Как уже упоминалось, доступ к этой информации требует некоторых сложных вычислений на суперкомпьютерах. После разработки своего нового подхода теоретики провели 65 000 симуляций теории и ее предположений, чтобы проверить ее.

Это колоссальное количество вычислений было выполнено на Frontera в Техасском передовом компьютерном центре и на суперкомпьютере Frontier в Oak Ridge Leadership Computing Facility, пользовательском объекте DOE Office of Science в Окриджской национальной лаборатории. Это число включало 186 симуляций протонов, движущихся с различными импульсами, выполненных на фоне 350 случайно сгенерированных наборов глюонов. Это вычисление потребовало, чтобы процессоры на этих объектах работали в течение миллионов часов. Окончательный анализ этих результатов был завершен на меньших суперкомпьютерах в Jefferson Lab.

Результатом этой работы стал надежный тест 3D-подхода, разработанного теоретиками. Этот тест является важным результатом тематического сотрудничества DOE по кварк-глюонной томографии (QGT).

«Это было нашим доказательством принципа. Мы хотели узнать, будут ли результаты этих симуляций выглядеть разумными на основе того, что мы уже знаем об этих частицах», — сказал Карпи. «Наш следующий шаг — улучшить приближения, которые мы использовали в этих расчетах. Это в 100 раз дороже с точки зрения вычислительного времени».

Новые данные на горизонте

Карпи отметил, что теория GPD от HadStruc Collaboration уже изучается в экспериментах на высокоэнергетических объектах по всему миру. Два процесса для изучения структуры адронов с помощью GPD, глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS) и глубоко виртуальное рождение мезонов (DVMP), проводятся в Jefferson Lab и других учреждениях.

Карпи и Дютрье ожидают, что работа группы будет входить в список экспериментов на электронно-ионном коллайдере (EIC), ускорителе частиц, который строится в Брукхейвенской национальной лаборатории DOE на Лонг-Айленде. Jefferson Lab сотрудничает с Брукхейвенской национальной лабораторией в рамках проекта.

Ожидается, что EIC будет достаточно мощным, чтобы исследовать адроны за пределами точки, в которой современные приборы начинают терять сигнал, но исследование структуры того, как собираются адроны, не будет ждать, пока EIC вступит в строй.

«У нас есть несколько новых экспериментов в лаборатории Джефферсона. Сейчас они собирают данные и предоставляют нам информацию для сравнения с нашими расчетами», — сказал Карпи. «А затем мы надеемся, что сможем накопить и получить еще более качественную информацию в EIC. Это все часть этой цепочки прогресса».

Участники HadStruc Collaboration ищут дополнительные экспериментальные приложения своей работы по теории QCD в Jefferson Lab и других учреждениях. Примером этого является использование суперкомпьютеров для вычисления более точных результатов данных, которые были в наличии в течение десятилетий.

Карпи добавил, что надеется опередить экспериментаторов на пару шагов.

«КХД всегда отставала от экспериментов. Мы обычно «постдиктовали», а не «предсказывали» то, что происходило», — сказал Карпи. «Так что теперь, если мы действительно сможем продвинуться вперед — если мы сможем сделать что-то, чего пока не могут сделать экспериментаторы — это было бы довольно круто».