Theorie und Experiment werfen neues Licht auf den Protonenspin

Kernphysiker arbeiten schon lange daran, herauszufinden, wie das Proton seinen Spin erhält. Eine neue Methode, die experimentelle Daten mit modernsten Berechnungen kombiniert, hat nun ein detaillierteres Bild der Spinbeiträge des Klebstoffs geliefert, der die Protonen zusammenhält. Dies ebnet auch den Weg zur Abbildung der dreidimensionalen Struktur des Protons.

Die Arbeit wurde von Joseph Karpie geleitet, einem Postdoktoranden am Zentrum für Theoretische und Computerphysik (Theoriezentrum) der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums.

Er sagte, dass dieses Jahrzehnte alte Rätsel mit Messungen der Quellen des Protonenspins im Jahr 1987 begann. Ursprünglich dachten die Physiker, dass die Bausteine ​​des Protons, seine Quarks, die Hauptquelle des Protonenspins wären. Aber das ist nicht das, was sie fanden. Es stellte sich heraus, dass die Quarks des Protons nur etwa 30 % des gesamten gemessenen Protonenspins liefern. Der Rest stammt aus zwei anderen Quellen, deren Messung sich bisher als schwieriger erwiesen hat.

Eine davon ist die mysteriöse, aber mächtige starke Kraft. Die starke Kraft ist eine der vier Grundkräfte im Universum. Sie „klebt“ Quarks zusammen, um andere subatomare Teilchen wie Protonen oder Neutronen zu bilden. Manifestationen dieser starken Kraft werden Gluonen genannt, von denen man annimmt, dass sie zum Spin des Protons beitragen. Der letzte Teil des Spins stammt vermutlich von den Bewegungen der Quarks und Gluonen des Protons.

„Dieser Artikel ist eine Art Zusammenführung zweier Gruppen des Theoriezentrums, die versucht haben, denselben Teil der Physik zu verstehen, nämlich wie die darin enthaltenen Gluonen dazu beitragen, wie stark sich das Proton dreht“, sagte er.

Er sagte, diese Studie sei durch ein rätselhaftes Ergebnis inspiriert worden, das aus ersten experimentellen Messungen des Gluonenspins hervorging. Die Messungen wurden am Relativistic Heavy Ion Collider durchgeführt, einer Einrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven National Laboratory in New York. Die Daten schienen zunächst darauf hinzudeuten, dass die Gluonen zum Spin des Protons beitragen könnten. Sie zeigten ein positives Ergebnis.

Doch mit der Verbesserung der Datenanalyse ergab sich eine weitere Möglichkeit.

„Als sie ihre Analyse verbesserten, begannen sie, zwei Sätze von Ergebnissen zu erhalten, die ziemlich unterschiedlich zu sein schienen, einer war positiv und der andere war negativ“, erklärte Karpie.

Während das frühere positive Ergebnis darauf hindeutete, dass die Spins der Gluonen mit denen des Protons übereinstimmen, ließ die verbesserte Analyse die Möglichkeit zu, dass die Spins der Gluonen insgesamt einen negativen Beitrag leisten. In diesem Fall würde ein größerer Teil des Protonenspins von der Bewegung der Quarks und Gluonen oder vom Spin der Quarks selbst herrühren.

Dieses rätselhafte Ergebnis wurde von der Jefferson Lab Angular Momentum (JAM)-Kollaboration veröffentlicht.

In der Zwischenzeit hatte sich die HadStruc-Kollaboration denselben Messungen auf andere Weise gewidmet. Sie nutzten Supercomputer, um die zugrundeliegende Theorie zu berechnen, die die Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen im Proton beschreibt: die Quantenchromodynamik (QCD).

Um Supercomputer für diese aufwändige Berechnung auszurüsten, vereinfachen Theoretiker einige Aspekte der Theorie etwas. Diese etwas vereinfachte Version für Computer heißt Gitter-QCD.

Karpie leitete die Arbeit, die Daten beider Gruppen zusammenzuführen. Er begann mit den kombinierten Daten aus Experimenten, die in Einrichtungen auf der ganzen Welt durchgeführt wurden. Dann fügte er die Ergebnisse der Gitter-QCD-Berechnung in seine Analyse ein.

„Hier kommt alles zusammen, was wir über den Spin von Quarks und Gluonen wissen und wie Gluonen zum Spin des Protons in einer Dimension beitragen“, sagte David Richards, ein leitender Wissenschaftler am Jefferson Lab, der an der Studie mitgearbeitet hat.

„Als wir das taten, sahen wir, dass die negativen Dinge nicht verschwanden, sondern sich dramatisch veränderten. Das bedeutete, dass da etwas Merkwürdiges vor sich geht“, sagte Karpie.

Karpie ist Hauptautor der Studie, die kürzlich veröffentlicht In Körperliche Überprüfung D. Er sagte, die wichtigste Erkenntnis sei, dass die Kombination der Daten aus beiden Ansätzen zu fundierteren Ergebnissen führe.

„Wir kombinieren unsere beiden Datensätze und erhalten ein besseres Ergebnis, als jeder von uns unabhängig voneinander erreichen könnte. Es zeigt wirklich, dass wir viel mehr lernen, wenn wir Gitter-QCD und Experiment in einer Problemanalyse kombinieren“, sagte Karpie. „Dies ist der erste Schritt, und wir hoffen, dies mit immer mehr Observablen fortsetzen zu können, während wir mehr Gitterdaten erstellen.“

Der nächste Schritt besteht darin, die Datensätze weiter zu verbessern. Da leistungsfähigere Experimente detailliertere Informationen über das Proton liefern, beginnen diese Daten ein Bild zu zeichnen, das über eine Dimension hinausgeht. Und da Theoretiker lernen, ihre Berechnungen auf immer leistungsfähigeren Supercomputern zu verbessern, werden auch ihre Lösungen präziser und umfassender.

Ziel ist es, letztendlich ein dreidimensionales Verständnis der Struktur des Protons zu erlangen.

„Wir haben also gelernt, dass unsere Werkzeuge im einfacheren eindimensionalen Szenario funktionieren. Indem wir unsere Methoden jetzt testen, werden wir hoffentlich wissen, was wir tun müssen, wenn wir zu 3D-Strukturen übergehen wollen“, sagte Richards. „Diese Arbeit wird zu diesem 3D-Bild beitragen, wie ein Proton aussehen sollte. Es geht also darum, uns jetzt zum Kern des Problems vorzuarbeiten, indem wir diese einfacheren Dinge tun.“