Kerntheoretiker am Brookhaven National Laboratory und am Argonne National Laboratory haben erfolgreich einen neuen theoretischen Ansatz zur Berechnung des Collins-Soper-Kernels angewendet, einer Größe, die beschreibt, wie sich die Verteilung des Querimpulses von Quarks innerhalb eines Protons mit der Kollisionsenergie ändert.
Die Forschung ist veröffentlicht im Tagebuch Körperliche Untersuchung D.
Die neue Berechnung stimmt exakt mit modellbasierten Rekonstruktionen aus Partikelkollisionsdaten überein. Es ist besonders effektiv für Quarks mit niedrigen Transversalimpulsen, bei denen frühere Methoden nicht ausreichten.
Dieser theoriebasierte Ansatz liefert die ersten genauen Berechnungen darüber, wie sich die Verteilung des Querimpulses von Quarks innerhalb von Protonen mit der Kollisionsenergie ändert. Der Ansatz wird wesentlich genauere theoretische Vorhersagen für die kleinen Querbewegungen von Quarks im Inneren von Protonen liefern. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, die komplexesten, durch starke Kräfte gesteuerten Quark-Gluon-Wechselwirkungen zu modellieren.
Das Team verwendete Gitterquantenchromodynamik (QCD), Supercomputer-basierte Simulationen, die Quark-Gluon-Wechselwirkungen auf einem 4D-Raum-Zeit-Gitter verfolgen. Der neue theoretische Ansatz ermöglichte es dem Team, seine Gitter-QCD-Berechnungen deutlich zu vereinfachen und präzise Ergebnisse selbst für die kleine Querbewegung von Quarks zu erhalten, bei der die Quark-Gluon-Wechselwirkungen stark und komplex werden.
Solche präzisen Beschreibungen der kleinen Querbewegung von Quarks konnten in früheren Gitter-QCD-Berechnungen, die konventionellere Ansätze verwendeten, nicht erreicht werden.
Die neuen Ergebnisse für Quarks mit niedrigem Querimpuls stimmen mit früheren Ergebnissen überein, sind jedoch viel präziser und weisen deutlich geringere Unsicherheiten auf. Sie stimmen auch mit Modellen überein, die zur Erklärung vorhandener experimenteller Daten entwickelt wurden.
Diese Erfolge zeigen, dass der neue Ansatz zur Vorhersage und Interpretation zukünftiger experimenteller Ergebnisse bei unterschiedlichen Kollisionsenergien am zukünftigen Collider EIC, der am Brookhaven National Laboratory gebaut wird, und am European Large Hadron Collider verwendet werden kann.
Physiker werden diese Vorhersagen und Experimente nutzen, um mehr über die kleine Querbewegung von Quarks innerhalb von Protonen zu erfahren und wie diese Bewegung zum Protonenspin beiträgt.
Weitere Informationen:
Xiang Gao et al., Parton-Verteilungen aus verstärkten Feldern im Coulomb-Eichmaß, Körperliche Untersuchung D (2024). DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094506