Fizycy jądrowi od dawna pracują nad odkryciem, w jaki sposób proton uzyskuje swój obrót. Teraz nowa metoda, która łączy dane eksperymentalne z najnowocześniejszymi obliczeniami, ujawniła bardziej szczegółowy obraz wkładu spinu samego kleju spajającego protony. Toruje także drogę do obrazowania trójwymiarowej struktury protonu.
Prace prowadził Joseph Karpie, adiunkt ze stopniem doktora w Centrum Fizyki Teoretycznej i Obliczeniowej (Centrum Teorii) w Narodowym Ośrodku Akceleratora Thomasa Jeffersona Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych.
Powiedział, że ta trwająca od kilkudziesięciu lat zagadka zaczęła się od pomiarów źródeł spinu protonu w 1987 roku. Fizycy początkowo sądzili, że głównym źródłem spinu protonu będą kwarki, z których zbudowany jest proton. Ale to nie to, co znaleźli. Okazało się, że kwarki protonu zapewniają jedynie około 30% całkowitego zmierzonego spinu protonu. Reszta pochodzi z dwóch innych źródeł, które jak dotąd okazały się trudniejsze do zmierzenia.
Jednym z nich jest tajemnicza, ale potężna, silna siła. Siła silna jest jedną z czterech podstawowych sił we wszechświecie. To właśnie „skleja” kwarki, tworząc inne cząstki subatomowe, takie jak protony i neutrony. Przejawy tej silnej siły nazywane są gluonami i uważa się, że przyczyniają się do spinu protonu. Uważa się, że ostatnia część spinu pochodzi z ruchów kwarków i gluonów protonu.
„Ten artykuł jest w pewnym sensie połączeniem dwóch grup z Centrum Teorii, które pracowały nad próbą zrozumienia tego samego fragmentu fizyki, czyli tego, w jaki sposób gluony znajdujące się w nim przyczyniają się do tego, jak bardzo proton wiruje wokół ,” powiedział.
Powiedział, że inspiracją do tego badania był zagadkowy wynik uzyskany ze wstępnych eksperymentalnych pomiarów spinu gluonów. Pomiarów dokonano w Relatywistycznym Zderzaczu Ciężkich Jonów, obiekcie użytkownika Departamentu Nauki DOE z siedzibą w Brookhaven National Laboratory w Nowym Jorku. Początkowo dane zdawały się wskazywać, że gluony mogą przyczyniać się do spinu protonu. Wykazali pozytywny wynik.
Jednak w miarę udoskonalania analizy danych pojawiła się kolejna możliwość.
„Kiedy ulepszyli swoją analizę, zaczęli uzyskiwać dwa zestawy wyników, które wydawały się zupełnie różne, jeden był pozytywny, a drugi negatywny” – wyjaśnił Karpie.
Chociaż wcześniejszy pozytywny wynik wskazywał, że spiny gluonów są zgodne ze spinami protonu, ulepszona analiza pozwoliła na możliwość, że spiny gluonów mają ogólnie ujemny udział. W takim przypadku większa część spinu protonu pochodziłaby z ruchu kwarków i gluonów lub ze spinu samych kwarków.
Ten zagadkowy wynik został opublikowany w ramach współpracy Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).
Tymczasem w ramach współpracy HadStruc zajęto się tymi samymi pomiarami w inny sposób. Wykorzystali superkomputery do obliczenia podstawowej teorii opisującej interakcje między kwarkami i gluonami w protonie, zwanej chromodynamiką kwantową (QCD).
Aby wyposażyć superkomputery do wykonywania tak intensywnych obliczeń, teoretycy nieco upraszczają niektóre aspekty teorii. Ta nieco uproszczona wersja dla komputerów nazywa się kratą QCD.
Karpie kierował pracami mającymi na celu połączenie danych z obu grup. Zaczął od połączonych danych z eksperymentów przeprowadzonych w placówkach na całym świecie. Następnie dodał wyniki obliczeń sieci QCD do swojej analizy.
„To połączenie wszystkiego, co wiemy o spinie kwarków i gluonów oraz o tym, jak gluony przyczyniają się do spinu protonu w jednym wymiarze” – powiedział David Richards, starszy pracownik naukowy Jefferson Lab, który pracował nad badaniem.
„Kiedy to zrobiliśmy, zobaczyliśmy, że negatywne rzeczy nie zniknęły, ale zmieniły się radykalnie. Oznaczało to, że dzieje się z nimi coś zabawnego” – powiedział Karpie.
Karpie jest głównym autorem badania, które zostało niedawno opublikowane w Physical Review D. Stwierdził, że najważniejszy wniosek jest taki, że połączenie danych z obu podejść pozwoliło uzyskać bardziej świadome wyniki.
„Łączymy oba nasze zbiory danych i uzyskujemy lepszy wynik, niż którykolwiek z nas mógłby uzyskać niezależnie. To naprawdę pokazuje, że uczymy się dużo więcej, łącząc QCD sieci i eksperymenty w ramach jednej analizy problemu” – powiedział Karpie. „To pierwszy krok i mamy nadzieję, że będziemy to robić nadal, korzystając z coraz większej liczby obserwacji, a także zdobywając więcej danych dotyczących sieci”.
Następnym krokiem jest dalsze udoskonalanie zbiorów danych. W miarę jak bardziej zaawansowane eksperymenty dostarczają bardziej szczegółowych informacji na temat protonu, dane te zaczynają tworzyć obraz wykraczający poza jeden wymiar. A w miarę jak teoretycy uczą się, jak udoskonalać swoje obliczenia na coraz potężniejszych superkomputerach, ich rozwiązania stają się coraz bardziej precyzyjne i wszechstronne.
Celem jest ostateczne uzyskanie trójwymiarowego zrozumienia struktury protonu.
„Dowiadujemy się zatem, że nasze narzędzia działają w prostszym scenariuszu jednowymiarowym. Testując nasze metody teraz, mamy nadzieję, że będziemy wiedzieć, co musimy zrobić, gdy będziemy chcieli przejść do tworzenia struktur 3D” – powiedział Richards. „Ta praca przyczyni się do powstania trójwymiarowego obrazu tego, jak powinien wyglądać proton. Chodzi więc o to, aby dotrzeć do sedna problemu, wykonując teraz prostsze czynności”.