Teori og eksperiment kombineres for at skinne et nyt lys på protonspin

Kernefysikere har længe arbejdet på at afsløre, hvordan protonen får sit spin. Nu har en ny metode, der kombinerer eksperimentelle data med state-of-the-art beregninger, afsløret et mere detaljeret billede af spin-bidrag fra selve limen, der holder protoner sammen. Det baner også vejen mod billeddannelse af protonens 3D-struktur.

Arbejdet blev ledet af Joseph Karpie, en postdoc i Center for Theoretical and Computational Physics (Theory Center) ved det amerikanske energiministeriums Thomas Jefferson National Accelerator Facility.

Han sagde, at dette årtier gamle mysterium begyndte med målinger af kilderne til protonens spin i 1987. Fysikere troede oprindeligt, at protonens byggesten, dens kvarker, ville være hovedkilden til protonens spin. Men det var ikke det, de fandt. Det viste sig, at protonens kvarker kun giver omkring 30 % af protonens samlede målte spin. Resten kommer fra to andre kilder, som indtil videre har vist sig at være sværere at måle.

Den ene er den mystiske, men stærke stærke kraft. Den stærke kraft er en af ​​de fire grundlæggende kræfter i universet. Det er det, der "limer" kvarker sammen for at udgøre andre subatomære partikler, såsom protoner eller neutroner. Manifestationer af denne stærke kraft kaldes gluoner, som menes at bidrage til protonens spin. Den sidste smule spin menes at komme fra bevægelserne af protonens kvarker og gluoner.

"Dette papir er en slags samling af to grupper i teoricentret, som har arbejdet på at forsøge at forstå den samme smule fysik, hvilket er hvordan gluonerne, der er inde i det, bidrager til, hvor meget protonen drejer rundt. ," sagde han.

Han sagde, at denne undersøgelse var inspireret af et forvirrende resultat, der kom fra indledende eksperimentelle målinger af gluonernes spin. Målingerne blev foretaget på Relativistic Heavy Ion Collider, en DOE Office of Science brugerfacilitet baseret på Brookhaven National Laboratory i New York. Dataene så først ud til at indikere, at gluonerne kan bidrage til protonens spin. De viste et positivt resultat.

Men efterhånden som dataanalysen blev forbedret, dukkede en yderligere mulighed op.

"Da de forbedrede deres analyse, begyndte de at få to sæt resultater, der virkede ret forskellige, det ene var positivt og det andet var negativt," forklarede Karpie.

Mens det tidligere positive resultat indikerede, at gluonernes spins er på linje med protonens, tillod den forbedrede analyse muligheden for, at gluonernes spins har et samlet negativt bidrag. I så fald ville mere af protonspindet komme fra kvarkernes og gluonernes bevægelse eller fra kvarkernes spin selv.

Dette forvirrende resultat blev offentliggjort af Jefferson Lab Angular Momentum (JAM)-samarbejdet.

I mellemtiden havde HadStruc-samarbejdet behandlet de samme målinger på en anden måde. De brugte supercomputere til at beregne den underliggende teori, der beskriver interaktionerne mellem kvarker og gluoner i protonen, Quantum Chromodynamik (QCD).

For at udstyre supercomputere til at lave denne intense beregning, forenkler teoretikere nogle aspekter af teorien. Denne noget forenklede version til computere kaldes gitter QCD.

Karpie ledede arbejdet med at samle data fra begge grupper. Han startede med de kombinerede data fra eksperimenter taget i faciliteter rundt om i verden. Han tilføjede derefter resultaterne fra gitter-QCD-beregningen til sin analyse.

"Dette sætter alt, hvad vi ved om kvark og gluon-spin, og hvordan gluoner bidrager til protonens spin i én dimension," sagde David Richards, en seniorforsker fra Jefferson Lab, der arbejdede på undersøgelsen.

"Da vi gjorde det, så vi, at de negative ting ikke forsvandt, men de ændrede sig dramatisk. Det betød, at der er noget sjovt i gang med dem," sagde Karpie.

Karpie er hovedforfatter på undersøgelsen, der for nylig blev offentliggjort i Physical Review D . Han sagde, at det vigtigste er, at en kombination af data fra begge tilgange gav et mere informeret resultat.

"Vi kombinerer begge vores datasæt sammen og får et bedre resultat, end nogen af ​​os kunne opnå uafhængigt. Det viser virkelig, at vi lærer meget mere ved at kombinere gitter QCD og eksperimentere sammen i en problemanalyse," sagde Karpie. "Dette er det første skridt, og vi håber at blive ved med at gøre dette med flere og flere observerbare objekter, ligesom vi laver flere gitterdata."

Næste skridt er at forbedre datasættene yderligere. Da mere kraftfulde eksperimenter giver mere detaljerede oplysninger om protonen, begynder disse data at male et billede, der går ud over én dimension. Og efterhånden som teoretikere lærer at forbedre deres beregninger på stadigt stærkere supercomputere, bliver deres løsninger også mere præcise og inkluderende.

Målet er til sidst at producere en tredimensionel forståelse af protonens struktur.

"Så vi lærer, at vores værktøjer fungerer på det enklere en-dimensionelle scenarie. Ved at teste vores metoder nu, vil vi forhåbentlig vide, hvad vi skal gøre, når vi vil gå op for at lave 3D-struktur," sagde Richards. "Dette arbejde vil bidrage til dette 3D-billede af, hvordan en proton skal se ud. Så det handler om at bygge os op til kernen af ​​problemet ved at gøre disse nemmere ting nu."