Naukowcy nuklearni opracowali nowe podejście teoretyczne, które umożliwia dokładniejsze obliczenia trójwymiarowego ruchu kwarków w protonie, znacznie zwiększając wiedzę na temat ruchów poprzecznych tych cząstek.
To przełomowe osiągnięcie umożliwia przewidywanie zachowania kwarków i gluonów na potrzeby przyszłych eksperymentów ze zderzaczami w obiektach takich jak nadchodzący Zderzacz Elektron-Jon i Europejski Wielki Zderzacz Hadronów, co ostatecznie ma na celu lepsze zrozumienie dynamiki spinu protonów.
Nowe podejście teoretyczne w fizyce jądrowej
Naukowcy nuklearni opracowali nową metodę teoretyczną, która pozwala lepiej zrozumieć trójwymiarowy ruch kwarków w protonie. Stosując to innowacyjne podejście, badacze uzyskali znacznie wyraźniejszy i dokładniejszy obraz ruchu poprzecznego kwarków – ich ruchu wokół osi spinu protonu i prostopadle do jego ruchu do przodu. Nowe obliczenia są ściśle powiązane z modelami uzyskanymi na podstawie danych dotyczących zderzeń cząstek i są szczególnie skuteczne w uchwyceniu zachowania kwarków o niskich pędach poprzecznych, czyli w obszarze, w którym poprzednie metody były niewystarczające.
Postęp ten umożliwi fizykom jądrowym dokładniejsze przewidywanie ruchu 3D zarówno kwarków, jak i wiążących je gluonów, torując drogę do bardziej precyzyjnych analiz w przyszłych eksperymentach ze zderzaczem.
Implikacje dla przyszłych eksperymentów ze zderzaczami
Odkrycie pochodzenia spinu protonu jest głównym celem przyszłego Zderzacza (EIC). Zderzenia w EIC protonów o ustawionych spinach z elektronami o wysokich energiach umożliwią dokładny pomiar ruchu poprzecznego kwarków i gluonów w protonach. To precyzyjne obrazowanie 3D ujawni, w jaki sposób ruch poprzeczny kwarków i gluonów wpływa na ogólny spin protonu.
To nowe, oparte na teorii podejście zapewnia pierwsze dokładne obliczenia tego, jak rozkład pędu poprzecznego kwarków w protonach zmienia się wraz z energią zderzenia. Takie podejście zapewni znacznie dokładniejsze przewidywania teoretyczne dotyczące małych ruchów poprzecznych kwarków wewnątrz protonów. Wyeliminuje to potrzebę modelowania najbardziej złożonych oddziaływań kwark-gluon regulowanych silnymi siłami.
Postępy w chromodynamice kwantowej
Teoretycy jądrowi z Brookhaven National Laboratory i Argonne National Laboratory z powodzeniem zastosowali nowe podejście teoretyczne do obliczenia jądra Collinsa-Sopera, wielkości opisującej, jak rozkład pędu poprzecznego kwarków wewnątrz protonu zmienia się wraz z energią zderzenia. Zespół wykorzystał kratową chromodynamikę kwantową (QCD), symulacje oparte na superkomputerach, które śledzą interakcje kwark-gluon w trójwymiarowej siatce czasoprzestrzennej 4D.
Nowe podejście teoretyczne umożliwiło zespołowi znaczne uproszczenie obliczeń QCD sieci i uzyskanie dokładnych wyników nawet w przypadku małych ruchów poprzecznych kwarków, w których oddziaływania kwark-gluon stają się silne i złożone. Tak dokładnych opisów małych ruchów poprzecznych kwarków nie można było uzyskać we wcześniejszych obliczeniach QCD sieci, w których stosowano bardziej konwencjonalne podejścia.
Zwiększanie dokładności przewidywania
Nowe wyniki dotyczące kwarków o niskim pędzie poprzecznym są spójne z poprzednimi wynikami, ale są znacznie dokładniejsze i charakteryzują się znacznie mniejszymi niepewnościami. Odpowiadają także modelom opracowanym w celu wyjaśnienia istniejących danych eksperymentalnych.
Osiągnięcia te pokazują, że nowe podejście można wykorzystać do przewidywania i interpretacji przyszłych wyników eksperymentów przy różnych energiach zderzeń w EIC budowanym w Brookhaven National Laboratory oraz w Europejskim Wielkim Zderzaczu Hadronów. Fizycy wykorzystają te przewidywania i eksperymenty, aby poznać mały ruch poprzeczny kwarków w protonach i wpływ tego ruchu na spin protonów.
Referencje:
„Rozkłady Partona ze wzmocnionych pól w mierniku Coulomba”, autorzy: Xiang Gao, Wei-Yang Liu i Yong Zhao, 10 maja 2024 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094506
„Nieperturbacyjne jądro Collinsa-Sopera z chiralnych kwarków o masach fizycznych” Dennis Bollweg, Xiang Gao, Swagato Mukherjee i Yong Zhao, 2 kwietnia 2024 r., Litery fizyki B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138617
Prace te były wspierane przez Biuro Naukowe Departamentu Energii (DOE), Biuro Fizyki Jądrowej w ramach nagrody Scientific Discovery Through Advanced Computing (SciDAC) „Podstawowa fizyka jądrowa w eksaskali i poza nią” przyznanej przez „Quark -Gluon Tomography”, przyznana przez Departament Nauki DOE za wczesną karierę oraz przez National Science Foundation. W badaniu tym wykorzystano nagrody w postaci czasu komputerowego zapewniane przez program INCITE w Argonne Leadership Computing Facility, program ALCC w Oak Ridge Leadership Computing Facility oraz National Energy Research Scientific Computing Center.
