|
Новый взгляд на вращение протона
|
|
|
|
Физики-ядерщики уже давно работают над выяснением того, как протон приобретает свое вращение. Теперь новый метод, сочетающий экспериментальные данные с современными расчетами, позволил получить более детальную картину спинового взаимодействия того самого клея, который удерживает протоны вместе. Это также открывает путь к визуализации трехмерной структуры протона. Работой руководил Джозеф Карпи, аспирант Центра теоретической и вычислительной физики (Theory Center) при Национальном ускорительном центре Томаса Джефферсона Министерства энергетики США. Он сказал, что эта многолетняя загадка началась с измерений источников вращения протона в 1987 году. Первоначально физики думали, что основным источником вращения протона являются строительные блоки, его кварки. Но это не то, что они обнаружили. Оказалось, что кварки протона обеспечивают только около 30% от общего измеренного спина протона. Остальное получено из двух других источников, которые до сих пор было труднее измерить.
|
|
|
|
Одно из них - таинственное, но мощное сильное взаимодействие. Сильное взаимодействие является одним из четырех фундаментальных взаимодействий во Вселенной. Это то, что "склеивает" кварки вместе, образуя другие субатомные частицы, такие как протоны или нейтроны. Проявления этого сильного взаимодействия называются глюонами, которые, как полагают, вносят свой вклад в вращение протона. Считается, что последний элемент вращения возникает в результате движения кварков и глюонов протона. "Эта статья является своего рода объединением двух групп в Теоретическом центре, которые работали над попыткой понять одну и ту же область физики, а именно, как глюоны, находящиеся внутри, влияют на скорость вращения протона", - сказал он. Он сказал, что на это исследование его вдохновил загадочный результат, полученный в результате первоначальных экспериментальных измерений спина глюонов. Измерения были проведены на коллайдере релятивистских тяжелых ионов, который используется Министерством энергетики США в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Сначала казалось, что полученные данные указывают на то, что глюоны могут вносить свой вклад в вращение протона. Они показали положительный результат.
|
|
|
Но по мере совершенствования анализа данных появилась дополнительная возможность. "Когда они улучшили свой анализ, они начали получать два набора результатов, которые казались совершенно разными: один был положительным, а другой отрицательным", - объяснил Карпи. В то время как более ранний положительный результат указывал на то, что спины глюонов совпадают со спинами протона, улучшенный анализ позволил предположить, что спины глюонов вносят общий отрицательный вклад. В этом случае большая часть спина протона была бы обусловлена движением кварков и глюонов или спином самих кварков. Этот загадочный результат был опубликован в рамках совместной работы Jefferson Lab по исследованию углового момента (JAM). Тем временем, в рамках совместной работы HadStruc те же измерения были выполнены по-другому. Они использовали суперкомпьютеры для расчета теории, лежащей в основе квантовой хромодинамики (КХД), которая описывает взаимодействия между кварками и глюонами в протоне.
|
|
|
|
Чтобы оснастить суперкомпьютеры для выполнения этих сложных вычислений, теоретики несколько упростили некоторые аспекты теории. Эта несколько упрощенная версия для компьютеров называется решетчатой КХД. Карпи руководил работой по объединению данных обеих групп. Он начал с объединения данных экспериментов, проведенных на установках по всему миру. Затем он добавил результаты расчета КХД с решеткой в свой анализ. "Это сводит воедино все, что мы знаем о вращении кварков и глюонов, а также о том, как глюоны влияют на вращение протона в одном измерении", - сказал Дэвид Ричардс, старший научный сотрудник Лаборатории Джефферсона, который работал над исследованием. "Когда мы это сделали, то увидели, что негативные моменты никуда не делись, но они кардинально изменились. Это означало, что с ними происходит что-то забавное", - сказал Карпи. Карпи является ведущим автором исследования, которое было недавно опубликовано в Physical Review D. Он сказал, что основным выводом является то, что объединение данных обоих подходов позволило получить более обоснованный результат.
|
|
|
|
"Мы объединяем оба наших набора данных и получаем лучший результат, чем любой из нас мог бы получить по отдельности. Это действительно показывает, что мы узнаем гораздо больше, объединяя решетчатую КХД и эксперименты в рамках одного анализа проблемы", - сказал Карпи. "Это первый шаг, и мы надеемся продолжать делать это со все большим количеством наблюдаемых объектов, а также получать больше данных о решетке". Следующим шагом является дальнейшее совершенствование наборов данных. По мере того, как более мощные эксперименты дают более подробную информацию о протоне, эти данные начинают рисовать картину, выходящую за рамки одного измерения. И по мере того, как теоретики учатся совершенствовать свои вычисления на все более мощных суперкомпьютерах, их решения также становятся более точными и всеобъемлющими. Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге получить трехмерное представление о структуре протона. "Итак, мы узнали, что наши инструменты действительно работают в более простом одномерном сценарии. Протестировав наши методы сейчас, мы надеемся, что узнаем, что нам нужно делать, когда мы захотим перейти к созданию 3D-структур", - сказал Ричардс. "Эта работа поможет создать трехмерное изображение того, как должен выглядеть протон. Итак, все дело в том, чтобы приблизиться к сути проблемы, сделав это проще сейчас".
|
|
|
|
Источник
|
