Teoretycy fizyki jądrowej z Narodowego Laboratorium Brookhaven Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych (DOE) wykazali, że złożone obliczenia przeprowadzane na superkomputerach mogą dokładnie przewidzieć rozkład ładunków elektrycznych w mezonach, cząstkach zbudowanych z kwarku i antykwarku. Naukowcy chcą dowiedzieć się więcej o mezonach – i całej klasie cząstek zbudowanych z kwarków, zwanych łącznie hadronami – w ramach wysokoenergetycznych eksperymentów w przyszłym Zderzaczu Elektronowo-Jonowym (EIC), zderzaczu cząstek budowanym w Brookhaven Lab . Przewidywania i pomiary w EIC ujawnią, w jaki sposób kwarki i gluony utrzymujące je razem w hadronach generują masę i strukturę prawie całej widzialnej materii.
„Podstawowym celem naukowym EIC jest zrozumienie, w jaki sposób właściwości hadronów, w tym mezonów oraz bardziej znanych protonów i neutronów, wynikają z rozkładu tworzących je kwarków i gluonów” – powiedział teoretyk z Brookhaven Lab, Swagato Mukherjee, który kierował badaniami. Najlżejszy mezon, pion, odgrywa zasadniczą rolę w oddziaływaniu jądrowym silnym, które wiąże protony i neutrony w jądrach atomowych. Badając tajemnice pionów, protonów i innych hadronów, EIC pomoże naukowcom odkryć, w jaki sposób wszystko zbudowane z atomów skleja się w taki sposób.
Nowe prognozy, właśnie opublikowane w Listy z przeglądu fizycznegodobrze pasują do pomiarów z eksperymentów niskoenergetycznych w ośrodku akceleratora Thomas Jefferson National Accelerator Facility (Jefferson Lab) w DOE, partnerze Brookhaven w budowie EIC, i rozciągają się na reżim wysokoenergetyczny zaplanowany dla eksperymentów w nowym obiekcie. Przewidywania te są ważne, ponieważ zapewnią podstawę do porównań, gdy eksperymenty EIC rozpoczną się na początku lat trzydziestych XXI wieku.
Jednak odkrycia wykraczają poza ustalenie oczekiwań dotyczących pojedynczego pomiaru EIC. Jak opisano w artykule, naukowcy wykorzystali swoje przewidywania – wraz z dodatkowymi niezależnymi obliczeniami superkomputera – do sprawdzenia szeroko stosowanego podejścia do odszyfrowywania właściwości cząstek. Podejście to, znane jako faktoryzacja, dzieli złożone procesy fizyczne na dwa składniki, czyli czynniki. Walidacja faktoryzacji umożliwi znacznie większą liczbę przewidywań EIC i pewniejszą interpretację wyników eksperymentów.
Zaglądanie do hadronów
Aby zbadać wewnętrzny skład hadronów, EIC zderza wysokoenergetyczne elektrony z protonami lub jądrami atomowymi. Wirtualne fotony, czyli cząstki światła emitowane przez elektron, pomagają odkryć właściwości hadronu – coś w rodzaju mikroskopu do badania cegiełek materii.
Zderzenia w EIC zapewnią precyzyjne pomiary różnych procesów rozpraszania fizycznego. Aby przekształcić te precyzyjne pomiary w obrazy o wysokiej rozdzielczości elementów składowych materii w hadronach, naukowcy polegają na faktoryzacji. To teoretyczne podejście dzieli pomiary eksperymentalne – na przykład rozkład ładunków elektrycznych w mezonach – na dwie składowe, dzięki czemu naukowcy mogą wykorzystać wiedzę o dwóch częściach procesu do wywnioskowania informacji o trzeciej.
Wyobraźmy sobie równanie matematyczne, w którym X = Y × Z. Pełna wartość X – pomiar eksperymentalny – może składać się z dwóch czynników, Y i Z. Jeden czynnik, Y, opisuje rozkład kwarków i gluonów wewnątrz hadron. Drugi czynnik, Z, opisuje oddziaływania tych kwarków i gluonów z wysokoenergetycznym wirtualnym fotonem emitowanym przez zderzający się elektron.
Rozkłady kwarki/gluony są bardzo trudne do obliczenia ze względu na silne oddziaływania pomiędzy kwarkami i gluonami wewnątrz hadronu. Obliczenia te zawierają miliardy zmiennych opisanych przez teorię silnego oddziaływania, znaną jako chromodynamika kwantowa (QCD). Rozwiązywanie równań QCD zazwyczaj wymaga symulacji interakcji na wyimaginowanej siatce czasoprzestrzennej przy użyciu potężnych superkomputerów.
Oddziaływania kwarków i gluonów z wirtualnym fotonem są natomiast stosunkowo słabe. Zatem teoretycy mogą używać obliczeń „piórem na papierze”, aby wyprowadzić te wartości. Mogą następnie wykorzystać te proste obliczenia w połączeniu z pomiarami eksperymentalnymi (lub przewidywanymi pomiarami) – i matematyczną zależnością między tymi czynnikami – aby rozwiązać równanie i uzyskać pogląd na rozmieszczenie kwarków i gluonów wewnątrz hadronów.
„Ale czy to rzeczywiście działa – rozdzielając jedno zjawisko na te dwa czynniki?” – zapytał Qi Shi, odwiedzający doktorant w Grupie Teorii Jądrowej Brookhaven Lab. „Musieliśmy udowodnić, że tak jest”.
W tym celu naukowcy przeprowadzili faktoryzację w odwrotnej kolejności. „Odwróciliśmy sytuację” – powiedział Shi.
Shi i Xiang Gao, badacz w grupie ze stopniem doktora, wykorzystali superkomputery i symulacje sieci czasoprzestrzennej do obliczenia rozkładów kwark-antykwark w mezonach (Y, w powyższym równaniu). Następnie wykorzystali prostsze obliczenia „piórem na papierze” dotyczące interakcji kwarku/gluonu z fotonami (Z) i wykonali obliczenia matematyczne, aby znaleźć przewidywaną wartość pomiaru eksperymentalnego (X) – rozkład ładunku wewnątrz mezonów.
Na koniec naukowcy porównali te nowe przewidywania z przewidywaniami, które wykonali przy użyciu oddzielnych obliczeń superkomputerowych – z tymi, które odpowiadały pomiarom Jefferson Lab przy niskim zużyciu energii. Porównując dwie prognozy – jedną obliczoną przy użyciu faktoryzacji, a drugą obliczoną niezależnie przy użyciu metody symulacji sieci – mogliby sprawdzić, czy faktoryzacja jest właściwym sposobem rozwiązania takich problemów.
Obliczenia odwrotnej faktoryzacji idealnie pasowały do przewidywań obliczonych na superkomputerze.
„W tym przypadku możemy w pełni obliczyć wszystko za pomocą siatki” – powiedział Shi. „Wybraliśmy ten konkretny przypadek, ponieważ możemy obliczyć zarówno lewą, jak i prawą stronę równania, korzystając z niezależnych obliczeń, aby pokazać, że faktoryzacja działa”.
Teraz naukowcy mogą używać faktoryzacji do przewidywania i analizowania innych obserwowalnych EIC, nawet jeśli jednej strony nie można obliczyć bezpośrednio.
„Ta praca pokazuje, że podejście do faktoryzacji działa” – powiedział Peter Petreczky, lider grupy i współautor artykułu. „Naukowcy mogą teraz wykorzystać przyszłe dane EIC i faktoryzację, aby wywnioskować inne, bardziej złożone rozkłady kwarków i gluonów w hadronach, których nie da się obliczyć – nawet przy użyciu najpotężniejszych komputerów i wyrafinowanych technik”.
Badania te były wspierane przez Biuro Naukowe DOE (NP) i wykorzystały nagrody w postaci czasu komputerowego w Argonne Leadership Computing Facility, Oak Ridge Leadership Computing Facility i National Energy Research Scientific Computing Center – wszystkie obiekty użytkowników DOE Office of Science odpowiednio w Narodowym Laboratorium Argonne w DOE, Laboratorium Narodowym w Oak Ridge w DOE i Laboratorium Narodowym Lawrence Berkeley w DOE. Obliczenia przeprowadzono także częściowo na obiektach amerykańskiej współpracy Lattice Quantum Chromodynamics (USQCD).
