Teoretycy jądrowi odkrywają rozkład mas w pionie i protonie poprzez przełomowe obliczenia numeryczne oparte na pierwszej zasadzie.
Naukowcy wykorzystują anomalię śladową w czasoprzestrzeni, aby poznać masę cząstek subatomowych. To nowe podejście do obliczeń numerycznych pomaga przewidzieć rozkład masy w cząstkach takich jak protony i piony, wspierając eksperymenty w Zderzaczu Elektronowo-Jonowym, które będą badać rozkład masy kwarków i gluonów.
Subatomowy rozkład masy i rola anomalii śladowych
Naukowcy mogą określić masę cząstek subatomowych składających się z kwarków, analizując ich energię i pęd w czterowymiarowej czasoprzestrzeni. Kluczowym czynnikiem w tym procesie jest anomalia śladowa – wielkość odzwierciedlająca różnice w pomiarach fizycznych z eksperymentów wysokoenergetycznych w zależności od zastosowanych skal energii i pędu. Uważa się, że anomalia śladowa odgrywa kluczową rolę w wiązaniu kwarków w cząstkach subatomowych.
W tym badaniu naukowcy obliczyli anomalię śladową zarówno dla nukleonów (protonów i neutronów), jak i pionów (cząstek składających się z jednego kwarku i jednego antykwark). Ich odkrycia ujawniły, że w pionach rozkład masy bardzo przypomina rozkład ładunku neutronów, podczas gdy w nukleonach rozkład masy jest bardziej zgodny z rozkładem ładunku protonów.
Cele zderzacza elektronów i jonów oraz analiza masy hadronów
Zrozumienie pochodzenia masy nukleonów jest jednym z głównych celów naukowych projektu Zderzacz elektronowo-jonowy (EIC). Naukowcy chcą także zrozumieć, w jaki sposób masa kwarków i gluonów rozkłada się w hadronach. Są to cząstki subatomowe, takie jak protony i neutrony, które składają się z kwarków i są utrzymywane razem przez silne oddziaływanie.
Nowe obliczenia pokazują, że rozkład masy można uzyskać numerycznie w oparciu o obliczenia z pierwszej zasady, które rozpoczynają się od podstawowych praw fizycznych. Obliczenia wykonane w ramach tego nowego podejścia pomogą także naukowcom w interpretacji danych z eksperymentów fizyki jądrowej.
Przyszłe eksperymenty i spostrzeżenia dotyczące struktury protonów
Eksperymenty badające pochodzenie masy nukleonów planowane są w przyszłym EIC w Brookhaven National Laboratory. W tych eksperymentach rozpraszanie elektron-proton może powodować powstawanie ciężkich stanów, które są wrażliwe na wewnętrzną strukturę protonu, zwłaszcza na rozkład gluonów.
Analizując dane dotyczące rozproszeń, naukowcy mogą dowiedzieć się, jak rozkłada się masa kwarków i gluonów w protonie. Przypomina to sposób, w jaki badacze wykorzystali dyfrakcję promieni rentgenowskich do odkrycia kultowego kształtu podwójnej helisy DNA.
Spostrzeżenia teoretyczne i implikacje modelu standardowego
Obliczenia teoretyczne pomagają naukowcom zrozumieć rozkład masy pomiędzy hadronami zgodnie z Modelem Standardowym i wyznaczają kierunek nadchodzących eksperymentów. Odkrycia ujawniają ważne aspekty rozkładu masy w cząstkach takich jak pion i nukleon.
Wyniki sugerują, że w szczególności budowa pionu odgrywa rolę w łączeniu dwóch właściwości świata opisywanego przez Model Standardowy: istnienia skali absolutnej oraz asymetrii wielkości lewoskrętnych i prawoskrętnych .
Referencje:
„Ślad anomalii w postaci czynników z sieci QCD” autorstwa χQCD Collaboration, Bigeng Wang, Fangcheng He, Gen Wang, Terrence Draper, Jian Liang, Keh-Fei Liu i Yi-Bo Yang, 9 maja 2024 r., Przegląd fizyczny D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094504
„Hadrony, wiry nadprzewodnikowe i stała kosmologiczna”, Keh-Fei Liu, 27 grudnia 2023 r., Litery fizyki B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2023.138418
Praca ta jest częściowo wspierana przez grant Departamentu Energii (DOE) w ramach tematycznej współpracy Biura Naukowego DOE w ramach fizyki jądrowej, zarządzanej przez Keitha Jankowskiego i Xiaofeng Guo. Zarówno Bigeng Wang, jak i PI Keh-Fei Liu są podmiotami stowarzyszonymi z Lawrence Berkeley National Laboratory, w którym przeprowadzono prace. W badaniach wykorzystano zasoby Oak Ridge Leadership Computing Facility w Oak Ridge National Laboratory, placówce użytkownika Biura Nauki DOE. W tej pracy wykorzystano także czas Stampede w ramach środowiska Extreme Science and Engineering Discovery Environment, wspieranego przez National Science Foundation. Autorzy dziękują także Narodowemu Centrum Obliczeń Naukowych ds. Badań nad Energią za udostępnienie zasobów obliczeniowych o wysokiej wydajności. Wreszcie uznają rolę obiektów współpracy USQCD, które są finansowane przez Biuro Naukowe DOE.
