At komme op i fart på protonen

Forskere har udviklet en banebrydende teori til beregning af, hvad der sker inde i en proton, der bevæger sig med lysets hastighed.

For mere end 2, 000 år, videnskabsmænd troede atomet var den mindste mulige partikel. Derefter, de opdagede, at den har en kerne, der består af protoner og neutroner omgivet af elektroner. Efter det, de fandt ud af, at protoner og neutroner selv har en kompleks indre verden fuld af kvarker og antikvarer, der holdes sammen af ​​en superlimlignende kraft skabt af gluoner.

"Protoner udgør sammen med neutroner over 99 procent af det synlige univers, betyder alt fra galakser og stjerner til os, "sagde Yong Zhao, en fysiker ved US Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory. "Endnu, der er stadig meget, vi ikke ved om det rige indre liv af protoner eller neutroner. "

Zhao har medforfatter et papir om en innovativ metode til beregning af kvark- og gluonstrukturen af ​​en proton, der bevæger sig med lysets hastighed. Navnet på teamets oprettelse er en stor momentum effektiv teori, LaMET for kort, som arbejder sammen med en teori kaldet gitterkvantekromodynamik (QCD).

Protonen er lille - omkring 100, 000 gange mindre end et atom, så fysikere modellerer det ofte som et punkt uden dimensioner. Men disse nye teorier kan forudsige, hvad der sker inden for lysets hastighed, som om det var et legeme af tre dimensioner.

Begrebet momentum er afgørende for ikke kun LaMET, men fysikken generelt. Det er lig med et objekts hastighed gange dets masse.

For mere end et halvt århundrede siden, Zhao forklarede, en simpel kvarkmodel af fysikerne Murray Gell-Mann og George Zweig afdækkede noget af protonens indre struktur i ro (ingen fart). Fra den model, forskere forestillede protonen som bestående af tre kvarker og forudsagde deres væsentlige egenskaber, såsom elektrisk ladning og centrifugering.

Senere forsøg med protoner accelereret til tæt på lysets hastighed viste, at protonen er endnu mere kompleks end oprindeligt antaget. For eksempel, den indeholder utallige partikler, der interagerer med hinanden - ikke kun tre kvarker bundet af gluoner. Og gluonerne kan kortvarigt blive til kvark-antikvarpar, før de ødelægger hinanden og bliver til en gluon igen. Partikelacceleratorer som ved DOE's Fermi National Accelerator Laboratory producerede de fleste af disse resultater.

"Når du accelererer protonen og kolliderer den med et mål, det er, når magien sker med hensyn til at afsløre sine mange mysterier, "Sagde Zhao.

Omkring fem år efter den simple kvarkmodel rystede fysikfællesskabet, en model foreslået af Richard Feynman forestillede protonen, der bevæger sig nær lysets hastighed, som en stråle, der bærer et uendeligt antal kvarker og gluoner, der bevæger sig i samme retning. Han kaldte disse partikler "partoner". Hans parton -model har inspireret fysikere til at definere et sæt mængder, der beskriver 3D -protonstrukturen. Forskere kunne derefter måle disse mængder i forsøg med partikelacceleratorer.

Tidligere beregninger med den bedst tilgængelige teori dengang (gitter QCD) frembragte nogle lysende detaljer om fordelingen af ​​kvarker og gluoner i protonen. Men de havde en alvorlig mangel:De kunne ikke præcist skelne mellem hurtigt og langsomt bevægelige partoner.

Vanskeligheden var, at gitter QCD kun kunne beregne protonens egenskaber, der ikke afhænger af dets momentum. Men at anvende Feynmans partonmodel på gitter QCD kræver at kende egenskaberne af en proton med uendelig momentum, hvilket betyder, at protonpartiklerne alle skal bevæge sig med lysets hastighed. Delvis udfylder det vidensgab, LaMET giver en opskrift til beregning af partonfysikken fra gitter QCD for stor, men begrænset momentum.

"Vi har udviklet og forfinet LaMET i løbet af de sidste otte år, "sagde Zhao." Vores papir opsummerer dette arbejde. "

Kører på supercomputere, gitter QCD-beregninger med LaMET genererer nye og forbedrede forudsigelser om strukturen af ​​lysets hastighed-af-proton. Disse forudsigelser kan derefter testes i en ny enestående facilitet kaldet Electron-Ion Collider (EIC). Denne facilitet er ved at blive bygget på DOE's Brookhaven National Laboratory.

"Vores LaMET kan også forudsige nyttig information om mængder, der er ekstraordinært vanskelige at måle, "sagde Zhao." Og med stærke nok supercomputere, i nogle tilfælde, vores forudsigelser kunne endda være mere præcise end muligt at måle på EIC. "

Med en dybere forståelse af stoffets 3D-kvark-gluonstruktur ved hjælp af teori og EIC-målinger, forskere er klar til at nå et langt mere detaljeret billede af protonen. Vi går derefter ind i en ny tidsalder for partonfysik.

Denne undersøgelse blev offentliggjort i Anmeldelser af moderne fysik i en artikel med titlen "Effektiv teori med stor momentum." Udover Zhao, forfattere inkluderer Xiangdong Ji (University of Maryland), Yizhuang Liu (Jagiellonian University), Yu-Sheng Liu (Shanghai Jiao Tong University) og Jian-Hui Zhang (Beijing Normal University).