Aflytning af den særlige snak om den subatomare verden

Ligesom to venlige naboer, der mødes for at snakke sammen over en kop kaffe, de minuskulære partikler i vores subatomare verden samles også for at indgå i en slags samtale. Nu, atomforskere er ved at udvikle værktøjer, der giver dem mulighed for at lytte med på partiklernes gab-fester og lære mere om, hvordan de hænger sammen for at bygge vores synlige univers.

Jozef Dudek er en stabsforsker ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Jefferson Lab og assisterende professor i fysik ved William &Mary. Han og hans kolleger udførte for nylig de første komplekse beregninger af en partikel kaldet sigma. De offentliggjorde resultatet i Fysisk gennemgangsbreve i januar.

"Sigma opfattes ofte som en del af den kraft, der holder protoner og neutroner sammen i kernen, Dudek forklarede. "Du kan tænke på, at der er en kraft mellem en proton og en neutron, hvilket skyldes udvekslingen af ​​partikler mellem dem. En af de partikler, som en proton og en neutron kan udveksle, er sigmaen."

Denne udveksling af sigma-partikler med protoner og neutroner giver dem mulighed for at kommunikere gennem den stærke kraft. Den stærke kraft er naturens kraft, der binder protoner og neutroner til kerner. Faktisk, den stærke kraft er også ansvarlig for dannelsen af ​​protoner og neutroner.

I årtier med at dykke dybt ind i stoffets hjerte for at afdække dens byggesten, kernefysikere har hidtil fundet ud af, at de mindste stykker stof er kvarker. Det kræver tre kvarker at bygge en proton (og tre at bygge en neutron). Disse kvarker er bundet sammen af ​​den stærke kraft, igen gennem en samtale mellem kvarker, der viser sig som udveksling af partikler. I dette tilfælde, kvarkerne bytter "lim" med stærk kraft - partikler kaldet gluoner.

Så, hvis partikler er i stand til at kommunikere direkte via udveksling af stærke gluoner, hvor efterlader det sigma? Det viser sig, at hvis en proton og en neutron er virkelig tæt på hinanden, de kan holde deres samtale med et simpelt skift af gluoner. Men i en rummelig kerne, det tager andre partikler, inklusive sigma, at tale effektivt.

"På større afstande, det giver mening at tænke på at udveksle mesoner mellem nukleoner, hvor mesoner er bygget af kvarker og gluoner selv, men sådan set pakket sammen i lukkede pakker, " sagde Dudek.

Disse 'begrænsede pakker' kan være sigma, som er en meson bygget af kvarker og gluoner, eller en anden meson kaldet pionen, kendt for fysikere som en partikel, der ofte findes hængende omkring kernen.

For at samle det hele, protoner og neutroner kan chatte det op via udveksling af gluoner på korte afstande, sigma mesoner på mellemafstande og pioner på større afstande.

Beregning af stoffets hjerte

Hvis det hele lyder ret kompliceret, det er fordi det er det. Dudek og hans kolleger er de første til at beregne sigma-partiklen direkte ud fra teorien, der beskriver den stærke kraft, de partikler, der interagerer gennem denne kraft og arten af ​​disse interaktioner. Denne teori kaldes kvantekromodynamik eller blot QCD.

Faktisk, disse beregninger var så komplicerede, supercomputere var påkrævet for at udføre bedriften.

Ifølge Robert Edwards, en senior videnskabsmand i Jefferson Labs Center for Theoretical and Computational Physics, QCD-beregningerne krævede den dedikerede indsats fra flere supercomputere.

Den første del af beregningerne blev udført på Titan, en supercomputer baseret på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility ved DOE's Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, og Blue Waters supercomputer ved University of Illinois i Urbana-Champaign.

Edwards sagde, at disse første beregninger blev brugt til at udvikle øjebliksbilleder af miljøet af subatomære partikler, eller "vakuum" af plads beskrevet af QCD.

"Støvsuget er ikke et tomt sted, det syder af energi, " Edwards forklarer. "Og energi manifesteres som elektriske og magnetiske fluktuationer, som kan opfattes som den stærke krafts lim. Så, hvad QCD gør er at se på styrken af ​​disse felter på ethvert punkt i rummet."

Disse øjebliksbilleder af det fluktuerende vakuum kan forestilles som overfladen af ​​en dam, der bliver regnet på, med regndråberne, der forårsager krusninger på dammen. Hvert øjebliksbillede af dammens overflade svarer til et øjebliksbillede af vakuumet. Han sagde, at 485 snapshots blev genereret af Titan-supercomputeren.

At se scenarierne udspille sig

Til anden del af beregningerne, kvarker blev tilføjet til øjebliksbilledet. Når kvarker bevæger sig gennem vakuumet, de reagerer på deres omgivelser. Deres mulige bevægelser, kaldet "propagatorer, " blev beregnet ved hjælp af supercomputerne Titan og Blue Waters. For hvert øjebliksbillede af vakuumet, 800, 000 sådanne propagatorer blev beregnet.

Med propagatorerne på plads, Der blev derefter opstillet flere forskellige scenarier for, hvordan specifikke kvarker vil interagere med hinanden, når de forplanter sig gennem tiden. For hvert scenarie, supercomputeren beregner sandsynligheden inden for QCD-teorien for, at kvarkerne sandsynligvis vil interagere på den bestemte måde.

"Vi er nødt til at evaluere en størrelse kaldet en korrelationsfunktion. Korrelationsfunktionen siger, at du har en eller anden konfiguration af kvarker, og du ser udbredelsen, mens de går gennem tiden, " Edwards forklarer. "Denne korrelationsfunktion måler effektivt korrelationen, eller dens styrke, mellem dens oprindelige konfiguration af kvarker og dens endelige konfiguration af kvarker."

Fortsætter vores analogi med regndråberne på dammen, forestil dig nu, at der er tilføjet en gummiand til dammen. Korrelationsfunktionsberegningerne bestemmer, hvor sandsynligt det er, at gummianden flyder fra et punkt til et andet på dammen.

Hver af de 485 konfigurationer blev simuleret mange gange for at bestemme sandsynligheden for hvert scenarie, giver omkring 15 millioner resultater til sammenligning. Beregningerne blev udført på Jefferson Labs LQCD-klynge i foråret og sommeren 2016.

Sigma kommer til live

Efter at alle beregningerne var opgjort, forskerne fandt ud af, at hvis de rigtige kvarker er til stede, sigma kan, Ja, skabes af den stærke kraft.

Efter årtier med korte glimt af sigmaens flygtige eksistens fra de eksperimentelle data, der viser dens virkninger på andre subatomære partikler, Dudek og Edwards siger, at denne beregning nu giver videnskabsmænd en ny måde at studere denne undvigende partikel på.

"Det er virkelig et første skridt mod at forstå, hvad sigma er. Findes det virkelig inden for teorien? Tilsyneladende, det gør det, " forklarede Dudek.

Sigmaets egenskaber i deres beregninger ser ud til at matche, hvad videnskabsmænd er kommet til at forvente af sigmaens egenskaber i den virkelige verden. Hvad mere er, nu hvor disse beregninger har vist, at det er muligt at anvende supercomputere til beregninger af en undvigende partikel som sigma, dette kan meget vel åbne døren for beregninger af andre kortlivede partikler.

"Vi har demonstreret, at vi kan vise, at det eksisterer inden for QCD. Nu, spørgsmålene er:Hvad er det? Hvordan er det dannet? Hvorfor eksisterer denne ting? Er der en måde at forstå det på?" sagde Dudek. "Kan vi tage fat på de spørgsmål, nu, hvor vi har en streng teknik til at studere inden for QCD dette objekt? Og det er noget for fremtiden."

Og at studere den undvigende sigma kan give forskerne deres første glimt af denne facet af den stærke kraft, der kun eksisterer dybt inde i stoffets hjerte. Det kan give dem en chance for at aflytte, hvis du vil, på kraften, når den går i gang med at opbygge vores univers.