Berechnungen zeigen hochauflösende Ansicht von Quarks im Inneren von Protonen

Eine Zusammenarbeit von Kerntheoretikern des Brookhaven National Laboratory, des Argonne National Laboratory, der Temple University, der polnischen Adam-Mickiewicz-Universität und der Universität Bonn des US-Energieministeriums (DOE) hat Supercomputer verwendet, um die räumliche Verteilung von Ladungen vorherzusagen. Impuls und andere Eigenschaften von „Up“- und „Down“-Quarks innerhalb von Protonen. Die Ergebnisse, gerade veröffentlicht in Körperliche Untersuchung Denthüllte wesentliche Unterschiede in den Eigenschaften der Up- und Down-Quarks.

„Diese Arbeit ist die erste, die einen neuen theoretischen Ansatz nutzt, um eine hochauflösende Karte von Quarks innerhalb eines Protons zu erhalten“, sagte Swagato Mukherjee von der Kerntheoriegruppe des Brookhaven Lab und Mitautor des Papiers. „Unsere Berechnungen zeigen, dass das Up-Quark symmetrischer verteilt ist und sich über eine kleinere Distanz ausbreitet als das Down-Quark. Diese Unterschiede implizieren, dass Up- und Down-Quarks unterschiedliche Beiträge zu den grundlegenden Eigenschaften und der Struktur des Protons leisten können, einschließlich seiner inneren Energie und.“ drehen.“

Co-Autorin Martha Constantinou von der Temple University bemerkte: „Unsere Berechnungen liefern Input für die Interpretation von Daten aus kernphysikalischen Experimenten, die untersuchen, wie Quarks und die Gluonen, die sie zusammenhalten, innerhalb des Protons verteilt sind, wodurch die Gesamteigenschaften des Protons entstehen.“

Solche Experimente finden bereits in der Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) statt, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Für den zukünftigen Electron-Ion Collider (EIC) im Brookhaven Lab sind Versionen mit höherer Auflösung geplant. Bei diesen Experimenten emittieren hochenergetische Elektronen virtuelle Lichtteilchen, die gestreut werden und den Gesamtimpuls eines Protons verändern, ohne es zu zerbrechen.

Die Art und Weise, wie sich der Impuls des Protons als Reaktion auf diese Streuungen ändert, enthüllt Details über die Quarks und Gluonen – die inneren Komponenten des Protons –, ähnlich wie eine Röntgenbildgebungstechnik für die Bausteine ​​der Massenmaterie.

Neuer theoretischer Ansatz zur GPD

Insbesondere ermöglichen die Streuungen den Wissenschaftlern Zugang zur Generalisierten Partonenverteilung (GPD) des Protons – Parton ist die Sammelbezeichnung für Quarks und Gluonen. Wenn Sie sich das Proton als einen Beutel vorstellen, der mit Murmeln gefüllt ist, die Quarks und Gluonen darstellen, liefert die GPD eine Beschreibung, wie der Energieimpuls und andere Eigenschaften dieser Murmeln innerhalb des Beutels verteilt sind – zum Beispiel, wenn der Beutel geschüttelt wird und die Murmeln herumbewegen.

Es kann mit einer Karte verglichen werden, die die Wahrscheinlichkeit angibt, an einer bestimmten Position im Beutel eine Murmel mit einem bestimmten Energieimpuls zu finden. Die Kenntnis der Verteilung dieser Quark- und Gluon-Eigenschaften ermöglicht es Wissenschaftlern, das Innenleben des Protons zu verstehen, was zu neuen Wegen zur Anwendung dieses Wissens führen könnte.

„Um eine detaillierte Karte zu erhalten, müssen wir viele Streuwechselwirkungen analysieren, die verschiedene Werte der Impulsänderung des Protons umfassen“, sagte Shohini Bhattacharya, wissenschaftlicher Mitarbeiter in Brookhavens Kerntheoriegruppe und dem RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Um die vielfältigen Impulsänderungen des Protons effizient zu simulieren, mussten die Forscher einen neuartigen theoretischen Ansatz entwickeln: kürzlich veröffentlicht In Körperliche Untersuchung D.

Bisher gingen Theoretiker davon aus, dass die Impulsänderung des Protons zu gleichen Teilen auf das Proton vor und nach der Lichtstreuung aufgeteilt wurde. Diese Vereinfachung lieferte eine weniger genaue Darstellung der Realität und machte die Simulationen auch rechenintensiv.

„Jeder Impulsänderungswert des Protons erforderte eine separate Simulation, was den Rechenaufwand für die Erstellung einer detaillierten Protonenkarte erheblich erhöhte“, erklärte Bhattacharya.

„Die neue Methode kann die Auswirkung der Impulsübertragung so betrachten, dass sie sich ausschließlich auf das austretende Proton – den Endzustand – auswirkt. Dies ergibt eine Sichtweise, die dem tatsächlichen physikalischen Prozess näher kommt“, sagte sie.

„Vor allem ermöglicht der neue theoretische Ansatz die Modellierung zahlreicher Impulsübertragungswerte innerhalb einer einzigen Simulation.“

Das Gitter nutzen

Die Berechnungen, die Quarks und ihre Wechselwirkungen beschreiben, werden in einer Theorie dargelegt, die als Quantenchromodynamik (QCD) bekannt ist. Da diese Gleichungen jedoch viele Variablen haben, sind sie sehr schwer zu lösen. Eine Technik namens Lattice QCD, die ursprünglich im Brookhaven Lab entwickelt wurde, hilft bei der Bewältigung der Herausforderung.

Bei dieser Methode „platzieren“ Physiker die Quarks auf einem diskretisierten 4D-Raumzeitgitter – einer Art 3D-Gitter, in dem sich Quarks an den Knotenpunkten befinden, das erklärt, wie sich die Anordnung der Quarks im Laufe der Zeit ändert (die vierte Dimension). Supercomputer lösen die Gleichungen der QCD, indem sie alle möglichen Wechselwirkungen jedes Quarks mit allen anderen durchgehen, einschließlich der Art und Weise, wie diese Wechselwirkungen durch die unzähligen Variablen beeinflusst werden.

„Der neue Formalismus zur Modellierung der Wechselwirkungen von Photonen (Lichtteilchen) mit Protonen ermöglichte es uns, die Gitter-QCD zu nutzen, um eine viel höhere Anzahl von Impulsübertragungen zu simulieren und so eine Bildgebung mit höherer Auflösung zu erreichen, die etwa zehnmal schneller ist als bei früheren Versuchen“, sagte er Mitautor der Studie, Xiang Gao, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Argonne National Laboratory.

Da die Gleichungen der QCD separate Variablen für Up- und Down-Quarks haben, können die Wissenschaftler mit der Methode separate Bilder jedes Quarktyps aufnehmen und ihre individuellen GPDs berechnen.

Ergebnisse und Implikationen

Das Team kartierte nicht nur die Energie-Impuls-Verteilungen der Up- und Down-Quarks, sondern auch deren Ladungsverteilungen innerhalb der Protonen.

Sie untersuchten auch die Impuls- und Ladungsverteilungen der Quarks in polarisierten Protonen, bei denen die Spins der Protonen in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind, um zu untersuchen, wie die inneren Bausteine ​​zum Spin des Protons beitragen. Der Protonenspin ist eine Eigenschaft, die täglich in der Magnetresonanztomographie (MRT) verwendet wird und es Ärzten ermöglicht, Strukturen in unserem Körper nicht-invasiv zu sehen. Doch wie diese Eigenschaft aus den inneren Bausteinen des Protons entsteht, ist noch immer ein Rätsel.

„Innerhalb eines polarisierten Protons haben wir herausgefunden, dass die Impulsverteilung der Down-Quarks im Vergleich zu der der Up-Quarks besonders asymmetrisch und verzerrt ist“, sagte Gao. „Da uns die räumliche Impulsverteilung Aufschluss über den Drehimpuls von Quarks innerhalb eines Protons gibt, zeigen diese Ergebnisse, dass die unterschiedlichen Beiträge von Up- und Down-Quarks zum Spin des Protons auf ihre unterschiedlichen räumlichen Verteilungen zurückzuführen sind“, bemerkte er.

Ihren Berechnungen zufolge kamen die Wissenschaftler zu dem Schluss, dass Up- und Down-Quarks weniger als 70 % des Gesamtspins des Protons ausmachen können. Dies impliziert, dass auch die Gluonen einen erheblichen Beitrag leisten müssen. Wie der Spin (Drehimpuls) des Protons auf seine Quarks und Gluonen verteilt ist, liefert Hinweise auf die innere Struktur des Protons. Dies wiederum hilft Wissenschaftlern, die Kräfte zu verstehen, die im Atomkern wirken.

Experimentelle Ergebnisse des Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) des Brookhaven Lab, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science im Brookhaven Lab, stützen die Idee eines signifikanten Gluonenbeitrags zum Spin. Dies ist eine der zentralen Fragen, die im künftigen EIC ausführlich untersucht werden.

„Die neuen theoretischen Vorhersagen werden verwendet, um wesentliche Informationen für den Vergleich mit diesen Experimenten zu liefern und Wissenschaftlern bei der Interpretation ihrer Daten zu helfen“, bemerkte Joshua Miller, ein Co-Autor, der seine Doktorarbeit durchführt. Forschung an der Temple University unter der Leitung von Constantinou.

„Diese beiden komplementären Dinge – Theorie und Experiment – ​​müssen kombiniert werden, um das vollständige Bild des Protons zu erhalten“, sagte Miller.