Вчені з Брукхейвенської національної лабораторії за допомогою суперкомп’ютерного моделювання спрогнозували розподіл електричних зарядів у мезонах, що має важливе значення для розуміння субатомної структури матерії. Майбутні експерименти на електронно-іонному колайдері (EIC) ще більше підтвердять ці прогнози, пропонуючи нове розуміння того, як кварки і глюони взаємодіють, утворюючи видиму матерію.

Вивчення розподілу заряду мезонів

Теоретики ядерної фізики з Брукхейвенської національної лабораторії Міністерства енергетики США показали, що сучасні суперкомп’ютерні розрахунки можуть точно передбачити розподіл електричних зарядів всередині мезонів — частинок, що складаються з кварка та антикварка. Дослідники прагнуть вивчати мезони, а також ширшу категорію частинок під назвою адрони (яка включає всі частинки, що складаються з кварків) за допомогою високоенергетичних експериментів на майбутньому електронно-іонному колайдері (EIC), надсучасному колайдері елементарних частинок, що будується в Брукхейвенській лабораторії. Ці прогнози та вимірювання на ВАК допоможуть з’ясувати, як кварки та глюони, що зв’язують їх разом, створюють масу та структуру майже всієї видимої матерії.

«Фундаментальна наукова мета ВАК полягає в тому, щоб зрозуміти, як властивості адронів, включаючи мезони і більш знайомі нам протони і нейтрони, виникають з розподілу кварків і глюонів, що їх складають», — сказав теоретик Брукхейвенської лабораторії Свагато Мукерджі, який очолював дослідження. Найлегший мезон, піон, відіграє важливу роль у ядерній взаємодії, яка зв’язує протони і нейтрони в атомних ядрах. Досліджуючи таємниці піонів, протонів та інших адронів, ВАК допоможе вченим розгадати, як все, що складається з атомів, тримається разом.

Нові прогнози, нещодавно опубліковані в журналі Physical Review Letters, добре узгоджуються з результатами експериментів на низьких енергіях у Національному прискорювачі Томаса Джефферсона (Лабораторія Джефферсона) Міністерства енергетики США, який є партнером Брукхейвена у будівництві ЄІК, і поширюються на високоенергетичний режим, запланований для експериментів на новому об’єкті. Ці прогнози важливі, оскільки вони забезпечать основу для порівняння, коли експерименти на ЄІК розпочнуться на початку 2030-х років.

Однак результати дослідження виходять за рамки визначення очікувань від одного вимірювання ВАК. Як описано в статті, вчені використали свої прогнози — разом з додатковими незалежними розрахунками на суперкомп’ютерах — для перевірки широко використовуваного підходу до розшифровки властивостей частинок. Цей підхід, відомий як факторизація, розбиває складні фізичні процеси на дві складові, або фактори. Валідація факторизації дасть змогу зробити набагато більше передбачень у сфері EIC та більш впевнено інтерпретувати експериментальні результати.

Заглиблення в субатомний світ

Щоб дослідити внутрішню будову адронів, ВАК зіштовхуватиме високоенергетичні електрони з протонами або атомними ядрами. Віртуальні фотони, або частинки світла, випромінювані електроном, допомагають виявити властивості адрону — щось на кшталт мікроскопа для вивчення будівельних блоків матерії.

Зіткнення в ЄІК забезпечать точні вимірювання різних фізичних процесів розсіювання. Щоб перетворити ці точні вимірювання на зображення з високою роздільною здатністю будівельних блоків матерії всередині адронів, вчені покладаються на факторизацію. Цей теоретичний підхід розбиває експериментальне вимірювання — наприклад, розподіл електричних зарядів у мезонах — на дві складові, щоб вчені могли використовувати знання про дві частини процесу для отримання інформації про третю.

Уявіть собі математичне рівняння, де X=Y×Z. Повне значення X — експериментальне вимірювання — може складатися з двох факторів, Y і Z. Один фактор, Y, описує, як кварки і глюони розподіляються всередині адрона. Інший фактор, Z, описує взаємодію цих кварків і глюонів з високоенергетичним віртуальним фотоном, випромінюваним електроном, що зіштовхується.

Передові обчислення у фізиці елементарних частинок

Розподіл кварків/глюонів дуже важко обчислити через сильну взаємодію між кварками і глюонами всередині адрона. Ці розрахунки містять мільярди змінних, що описуються теорією сильної взаємодії, відомою як квантова хромодинаміка (КХД). Розв’язання рівнянь КХД зазвичай вимагає моделювання взаємодії на уявній просторово-часовій решітці за допомогою потужних суперкомп’ютерів.

Взаємодії кварків і глюонів з віртуальним фотоном, з іншого боку, відносно слабкі. Отже, теоретики можуть використовувати розрахунки «ручкою на папері», щоб вивести ці значення. Потім вони можуть використовувати ці прості обчислення в поєднанні з експериментальними вимірюваннями (або передбачуваними вимірюваннями) — і математичним зв’язком між цими факторами — для розв’язання рівняння і отримання уявлення про розподіл кварків і глюонів всередині адронів.

«Але чи справді це працює — розділення одного явища на ці два фактори?» — запитує Ци Ши, запрошений аспірант з групи ядерної теорії Брукхейвенської лабораторії. «Нам потрібно було довести, що так».

Для цього вчені провели факторизацію у зворотному порядку. «Ми перевернули його», — сказав Ши.

Ши і Сян Гао, аспірант групи, використовували суперкомп’ютери і симуляції просторово-часової решітки для обчислення розподілу кварків-антикварків у мезонах (Y, у рівнянні вище). Потім вони застосували простіші розрахунки «від руки» взаємодії кварків/глюонів з фотонами (Z) і провели математичні обчислення, щоб знайти передбачене значення для експериментального вимірювання (X) — розподіл заряду всередині мезонів.

Нарешті, вчені порівняли ці нові передбачення з тими, які вони зробили за допомогою окремого суперкомп’ютерного розрахунку — тими, які відповідали вимірам Лабораторії Джефферсона при низьких енергіях. Порівнюючи два прогнози — один, розрахований за допомогою факторизації, і один, розрахований незалежно з використанням методу симуляції гратки, — вони змогли перевірити, чи є факторизація правильним способом вирішення таких проблем.

Розрахунки зворотної факторизації ідеально збіглися з їхніми прогнозами, розрахованими на суперкомп’ютері.

«У цьому випадку ми можемо повністю розрахувати все за допомогою решітки, — сказав Ши. «Ми обрали цей конкретний випадок, тому що ми можемо обчислити як ліву, так і праву частину рівняння, використовуючи незалежні розрахунки, щоб показати, що факторизація працює».

Тепер вчені можуть використовувати факторизацію для прогнозування та аналізу інших спостережуваних параметрів EIC, навіть коли одну сторону неможливо обчислити безпосередньо.

«Ця робота показує, що підхід факторизації працює», — сказав Пітер Петрецький, керівник групи і співавтор статті. «Тепер вчені можуть використовувати майбутні дані EIC і факторизацію для прогнозування інших складніших розподілів кварків і глюонів в адронах, які неможливо обчислити — навіть за допомогою найпотужніших комп’ютерів і складних методів».