Kernphysiker nutzen Supercomputer, um die Bausteine ​​der Materie dreidimensional abzubilden

Tief im Inneren dessen, was wir als feste Materie wahrnehmen, ist die Landschaft alles andere als ortsfest. Das Innere der Bausteine ​​des Atomkerns – Teilchen namens Hadronen, die ein Gymnasiast als Protonen und Neutronen erkennen würde – besteht aus einer brodelnden Mischung wechselwirkender Quarks und Gluonen, die zusammen als Partonen bezeichnet werden.

Eine Gruppe von Physikern hat sich nun zusammengefunden, um diese Partonen zu kartieren und zu entschlüsseln, wie sie bei der Bildung von Hadronen interagieren. Diese Kernphysiker, die an der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums arbeiten und als HadStruc Collaboration bekannt sind, arbeiten an einer mathematischen Beschreibung der Wechselwirkungen von Partonen. Ihre neuesten Erkenntnisse wurden kürzlich veröffentlicht. veröffentlicht im Zeitschrift für Hochenergiephysik.

„Die HadStruc Collaboration ist eine Gruppe mit Sitz im Jefferson Lab Theory Center und einigen der umliegenden Universitäten“, sagte HadStruc-Mitglied Joseph Karpie, ein Postdoktorand am Zentrum für theoretische und computergestützte Physik des Jefferson Lab. „Wir haben einige Leute an der William & Mary und der Old Dominion University.“

Weitere Mitglieder der Kollaboration, die Co-Autoren des Artikels sind, sind die Jefferson Lab-Wissenschaftler Robert Edwards, Colin Egerer, Eloy Romero und David Richards. Das William & Mary Department of Physics wird durch Hervé Dutrieux, Christopher Monahan und Kostas Orginos vertreten, der auch eine gemeinsame Position am Jefferson Lab innehat. Anatoly Radyushkin ist auch ein gemeinsames Fakultätsmitglied des Jefferson Lab, das mit der Old Dominion University verbunden ist, während Savvas Zafeiropoulos an der Université de Toulon in Frankreich ist.

Eine starke Theorie

Die Bestandteile der Hadronen, die sogenannten Partonen, sind durch die starke Wechselwirkung zusammengehalten. Diese ist neben der Schwerkraft, dem Elektromagnetismus und der schwachen Wechselwirkung eine der vier Grundkräfte der Natur, die beim Teilchenzerfall beobachtet wird.

Karpie erklärte, dass die Mitglieder der HadStruc-Kollaboration wie viele theoretische Physiker weltweit versuchen, herauszufinden, wo und wie die Quarks und Gluonen im Proton verteilt sind. Die Gruppe verwendet einen mathematischen Ansatz namens Gitterquantenchromodynamik (QCD), um zu berechnen, wie das Proton aufgebaut ist.

Dutrieux, ein Postdoktorand bei William & Mary, erklärte, dass die Arbeit der Gruppe einen dreidimensionalen Ansatz zum Verständnis der hadronischen Struktur durch die QCD-Linse skizziert. Dieser Ansatz wurde dann mithilfe von Supercomputerberechnungen umgesetzt.

Das 3D-Konzept basiert auf dem Konzept verallgemeinerter Partonenverteilungen (GPDs). GPDs bieten theoretische Vorteile gegenüber den Strukturen, die durch eindimensionale Partonenverteilungsfunktionen (PDFs), einem älteren QCD-Ansatz, visualisiert werden.

„Nun, die GPD ist insofern viel besser, als dass sie uns hilft, eine der großen Fragen zu klären, die wir über das Proton haben, nämlich wie sein Spin entsteht“, sagte Dutrieux. „Die eindimensionale PDF gibt uns davon nur ein sehr, sehr begrenztes Bild.“

Er erklärte, dass das Proton in erster Näherung aus zwei Up-Quarks und einem Down-Quark besteht – den sogenannten Valenzquarks. Die Valenzquarks werden durch eine variable Liste von Gluonen vermittelt, die durch Wechselwirkungen der starken Kraft entstehen und die Quarks zusammenhalten. Diese Gluonen sowie Paare von Quarks und Antiquarks – in Abgrenzung zu den Valenzquarks normalerweise als Meer von Quarks und Antiquarks bezeichnet – werden kontinuierlich erzeugt und lösen sich wieder in der starken Kraft auf.

Eine der erstaunlichsten Entdeckungen zum Spin des Protons kam 1987, als experimentelle Messungen zeigten, dass der Spin der Quarks weniger als die Hälfte zum Gesamtspin des Protons beiträgt. Tatsächlich könnte ein Großteil des Spins des Protons aus dem Gluonenspin und der Bewegung der Partonen in Form des Bahndrehimpulses stammen. Um diese Situation zu klären, sind noch viele experimentelle und rechnerische Anstrengungen erforderlich.

„GPDs stellen eine vielversprechende Möglichkeit dar, auf diesen Bahnwinkelanteil zuzugreifen und eine fundierte Erklärung dafür zu liefern, wie der Protonenspin auf Quarks und Gluonen verteilt ist“, bemerkte Dutrieux.

Er führte weiter aus, dass ein weiterer Aspekt, den die Zusammenarbeit durch GPDs angehen möchte, ein Konzept sei, das als Energie-Impuls-Tensor bekannt ist.

„Der Energie-Impuls-Tensor sagt einem, wie Energie und Impuls in einem Proton verteilt sind“, sagte Dutrieux. „Er sagt einem auch, wie das Proton mit der Schwerkraft interagiert. Aber im Moment untersuchen wir nur seine Materieverteilung.“

Simulation der Daten

Wie bereits erwähnt, sind für den Zugriff auf diese Informationen einige anspruchsvolle Berechnungen auf Supercomputern erforderlich. Nachdem die Theoretiker ihren neuen Ansatz entwickelt hatten, führten sie 65.000 Simulationen der Theorie und ihrer Annahmen durch, um sie zu testen.

Diese enorme Zahl von Berechnungen wurde auf Frontera im Texas Advanced Computer Center und auf dem Supercomputer Frontier in der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des DOE Office of Science am Oak Ridge National Laboratory, durchgeführt. Diese Zahl umfasste 186 Simulationen von Protonen, die sich mit unterschiedlichen Impulsen bewegen, die im Hintergrund von 350 zufällig generierten Gluonensammlungen durchgeführt wurden. Für diese Berechnung mussten die Prozessoren dieser Einrichtungen insgesamt Millionen von Stunden laufen. Die endgültige Analyse dieser Ergebnisse erfolgt auf den kleineren Supercomputern im Jefferson Lab.

Das Ergebnis dieser Arbeit war ein robuster Test des von den Theoretikern entwickelten 3D-Ansatzes. Dieser Test ist ein wichtiger Meilenstein für die aktuelle Zusammenarbeit des DOE im Bereich der Quark-Gluon-Tomographie (QGT).

„Das war unser Machbarkeitsnachweis. Wir wollten wissen, ob die Ergebnisse dieser Simulationen auf der Grundlage dessen, was wir bereits über diese Teilchen wissen, vernünftig aussehen würden“, sagte Karpie. „Unser nächster Schritt ist, die Näherungen zu verbessern, die wir in diesen Berechnungen verwendet haben. Das ist rechnerisch 100 Mal teurer, was die Rechenzeit angeht.“

Neue Daten am Horizont

Karpie wies darauf hin, dass die GPD-Theorie der HadStruc-Kollaboration bereits in Experimenten an Hochenergieanlagen weltweit untersucht wird. Zwei Verfahren zur Untersuchung der Hadronenstruktur durch GPDs, die tief virtuelle Compton-Streuung (DVCS) und die tief virtuelle Mesonenproduktion (DVMP), werden am Jefferson Lab und anderen Einrichtungen durchgeführt.

Karpie und Dutrieux gehen davon aus, dass die Arbeit der Gruppe Teil der Experimente am Electron-Ion Collider (EIC) sein wird, einem Teilchenbeschleuniger, der im Brookhaven National Laboratory des Energieministeriums auf Long Island gebaut wird. Jefferson Lab ist bei diesem Projekt Partner des Brookhaven National Laboratory.

Man geht davon aus, dass der EIC leistungsstark genug sein wird, um Hadronen auch über den Punkt hinaus zu untersuchen, an dem heutige Instrumente ihr Signal verlieren. Die Erforschung der Struktur der Hadronen kann allerdings nicht warten, bis der EIC online geht.

„Wir haben einige neue Experimente im Jefferson Lab. Sie sammeln jetzt Daten und liefern uns Informationen, die wir mit unseren Berechnungen vergleichen können“, sagte Karpie. „Und dann hoffen wir, dass wir im EIC noch bessere Informationen aufbauen und erhalten können. Das ist alles Teil dieser Fortschrittskette.“

Die Mitglieder der HadStruc-Kollaboration suchen nach weiteren experimentellen Anwendungen ihrer Arbeit zur QCD-Theorie am Jefferson Lab und anderen Einrichtungen. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Supercomputern zur Berechnung präziserer Ergebnisse aus Daten, die seit Jahrzehnten vorliegen.

Karpie fügte hinzu, dass er hoffe, den Experimentatoren ein paar Schritte voraus zu sein.

„QCD hinkte Experimenten immer hinterher. Wir haben normalerweise ‚nachhergesagt‘, anstatt ‚vorherzusagen‘, was passiert“, sagte Karpie. „Wenn wir jetzt also tatsächlich einen Schritt weiterkommen könnten – wenn wir etwas tun könnten, was die Experimentatoren noch nicht können – wäre das ziemlich cool.“