Forskere gør fremskridt i retning af at løse proton -spin -puslespillet

Forskere i en forskningsgruppe ledet af Constantia Alexandrou, professor i fysik ved Cyperns universitet og Cyprus Institute, taget et afgørende skridt i retning af at løse et tre årtier gammelt puslespil:De har med succes dechifreret nukleonets totale vinkelmoment (spin), bestemme, hvordan den deles mellem dens bestanddele. CSCS -supercomputer Piz Daint leverede de nødvendige beregningsressourcer.

Nukleoner - protoner og neutroner - er hovedbestanddele i atomkerner. Disse partikler består til gengæld af endnu mindre elementarpartikler kaldet kvarker og gluoner. Hver nukleon har sit eget iboende vinkelmoment, eller spin. At kende spin af elementarpartikler er vigtigt for at forstå fysiske og kemiske processer. Spin er ansvarlig for et materiales grundlæggende egenskaber, for eksempel, faseændringer i ikke-ledende materialer, der pludselig gør dem til superledere ved meget lave temperaturer.

Teoretiske modeller antog oprindeligt, at nukleonets spin kun kom fra dets bestanddele af kvarker. Men i 1987, fysiske eksperimenter med høj energi udført af det europæiske Muon Collaboration udløste det, der blev kendt som "protonspinkrisen". Eksperimenter udført på CERN, DESY og SLAC viste, at kvarker kun bidrager med 30 procent af protonspinnet. Siden da, det har været uklart, hvilke andre effekter der bidrager til centrifugeringen, og i hvilket omfang. Højenergifysikundersøgelserne antydede, at kvark-antikvarpar med deres kortvarige mellemliggende tilstande måske var i spil her-med andre ord, rent relativistiske kvanteeffekter.

Tredive år senere, disse mystiske virkninger er endelig redegjort for i beregninger udført på CSCS -supercomputeren Piz Daint af en forskergruppe ledet af Constantia Alexandrou fra Cyperns universitet i Nicosia; den gruppe omfattede også forskere fra DESY-Zeuthen, Tyskland, og fra Temple og Utah universiteter, USA. For første gang, forskere var i stand til at beregne de kvantitative bidrag fra konstituerende kvarker, gluoner og havkvarker-havkvarker er en kortvarig mellemliggende tilstand af kvark-antikvarpar inde i nukleonen-til nukleonspin. Med deres beregninger, gruppen tog et afgørende skridt i retning af at løse det puslespil, der førte til protonspinkrisen.

For at beregne partiklernes spin, forskerne skal redegøre for kvarkernes sande fysiske masse. "En numerisk udfordrende opgave, men af ​​afgørende betydning for at sikre, at parametrene i simuleringerne svarer til virkeligheden, ”siger Karl Jansen, hovedforsker ved DESY-Zeuthen og medforfatter af projektet. Den stærke kraft, der virker her, som overføres af gluonerne, er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i fysikken. Den stærke kraft er, Ja, stærk nok til at forhindre fjernelse af en kvark fra en proton; denne ejendom, kendt som indespærring, resulterer i enorm bindingsenergi, der i sidste ende holder nukleonbestanddele sammen. Forskerne brugte massen af ​​pionen, en såkaldt meson, bestående af en op og en ned antiquark - "lette kvarker" - for at fastsætte massen af ​​op- og nedkvarkerne til den fysiske kvarkmasse, der kommer ind i simuleringerne.

Hvis massen af ​​pionen beregnet ud fra simuleringen svarer til den eksperimentelt bestemte værdi, så mener forskerne, at simuleringen er udført med de faktiske fysiske værdier for kvarkmassen. Og det er præcis, hvad Alexandrou og hendes forskere har opnået i deres projekt, som blev offentliggjort i dag i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Deres simuleringer tog også højde for valensekvarkerne (konstituerende kvarker), havkvarker og gluoner. Forskerne brugte gitterteorien om kvantekromodynamik (gitter QCD) til at beregne dette "hav" af partikler og deres QCD -interaktioner.

Den største udfordring med simuleringerne var at reducere statistiske fejl ved beregning af "spin -bidrag" fra havkvarker og gluoner, siger Alexandrou. "Ud over, en væsentlig del var at foretage renormalisering af disse mængder. "Med andre ord, de var nødt til at konvertere de dimensionsløse værdier, der blev bestemt af simuleringerne, til en fysisk værdi, der kan måles eksperimentelt - f.eks. centrifugeringen fra bestanddelen og havkvarker og gluonerne, som forskerne søgte. De er de første til at inkludere gluoner i sådanne beregninger, som krævede beregning af millioner af "propagatorer", der beskriver, hvordan kvarker bevæger sig mellem to punkter i rumtiden.

"At gøre kraftfulde supercomputere som Piz Daint åbne og tilgængelige i hele Europa er ekstremt vigtigt for europæisk videnskab, "bemærker Jansen." Simuleringer så udførlige som dette var kun mulige takket være kraften i Piz Daint, og fordi vi på forhånd optimerede vores algoritmer til at udnytte maskinens grafikprocessorer bedst muligt, "tilføjede Alexandrou.