Berechnungen enthüllen hochauflösende Ansicht von Quarks in Protonen.

2. August 2023

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von Brookhaven National Laboratory.

Ein Team aus Kerntheoretikern des Brookhaven National Laboratory des US-amerikanischen Energieministeriums (DOE), des Argonne National Laboratory, der Temple University, der Adam Mickiewicz University in Polen und der Universität Bonn, Deutschland, hat Supercomputer eingesetzt, um die räumliche Verteilung von Ladungen, Impulsen und anderen Eigenschaften von 'up'- und 'down'-Quarks innerhalb von Protonen vorherzusagen. Die Ergebnisse, die gerade in der Zeitschrift Physical Review D veröffentlicht wurden, enthüllten wichtige Unterschiede in den Eigenschaften der up- und down-Quarks.

'Diese Arbeit ist die erste, die eine neue theoretische Methode nutzt, um eine hochauflösende Karte der Quarks innerhalb eines Protons zu erstellen', sagte Swagato Mukherjee von der nuklearen Theoriegruppe des Brookhaven Lab und Mitautor der Studie. 'Unsere Berechnungen zeigen, dass das up-Quark symmetrischer verteilt und über eine kleinere Distanz verbreitet ist als das down-Quark. Diese Unterschiede deuten darauf hin, dass up- und down-Quarks möglicherweise unterschiedliche Beiträge zu den grundlegenden Eigenschaften und der Struktur des Protons leisten, einschließlich seiner inneren Energie und Spin.'

Die Mitautorin Martha Constantinou von der Temple University merkte an: 'Unsere Berechnungen liefern Informationen zur Interpretation von Daten aus Experimenten zur Kernphysik, bei denen untersucht wird, wie Quarks und die Gluonen, die sie zusammenhalten, innerhalb des Protons verteilt sind und dadurch die Gesamteigenschaften des Protons entstehen.'

Solche Experimente finden bereits am Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF) statt, einer Einrichtung des US-Energieministeriums für Wissenschaft am Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Hochauflösende Versionen sind für den zukünftigen Electron-Ion Collider (EIC) am Brookhaven Lab geplant. Bei diesen Experimenten emittieren hochenergetische Elektronen virtuelle Lichtteilchen, die von einem Proton abgelenkt werden und den Gesamtimpuls des Protons verändern, ohne es zu zerlegen.

Die Art und Weise, wie der Impuls des Protons als Reaktion auf diese Streuungen verändert wird, gibt Aufschluss über die Quarks und Gluonen - die inneren Bestandteile des Protons - ähnlich wie bei einer Röntgenbildgebungstechnik für die Bausteine von Massenmaterial.

Die Streuungen ermöglichen es Wissenschaftlern spezifisch, auf die Generalized Parton Distribution (GPD) des Protons zuzugreifen - Parton ist der Sammelbegriff für Quarks und Gluonen. Wenn man sich das Proton als einen Beutel vorstellt, der mit Murmeln gefüllt ist, die Quarks und Gluonen repräsentieren, bietet die GPD eine Beschreibung dafür, wie die Energie-Impuls- und andere Eigenschaften dieser Murmeln innerhalb des Beutels verteilt sind - zum Beispiel, wenn der Beutel geschüttelt wird und die Murmeln sich bewegen.

Sie kann mit einer Karte verglichen werden, die die Wahrscheinlichkeit angibt, eine Murmel mit einem bestimmten Energie-Impuls an einer bestimmten Position innerhalb des Beutels zu finden. Das Wissen um die Verteilung dieser Merkmale von Quarks und Gluonen ermöglicht es Wissenschaftlern, die inneren Abläufe des Protons zu verstehen, was zu neuen Anwendungen dieses Wissens führen kann.

'Um eine detaillierte Karte zu erhalten, müssen wir viele Streuinteraktionen analysieren, die verschiedene Werte für die Impulsänderung des Protons beinhalten', sagte Shohini Bhattacharya, eine Mitarbeiterin der nuklearen Theoriegruppe von Brookhaven und des RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Um die mehrfache Impulsänderung des Protons effizient zu simulieren, mussten die Forscher einen neuen theoretischen Ansatz entwickeln, der kürzlich in Physical Review D veröffentlicht wurde.

Zuvor verwendeten Theoretiker die Idee, dass die Änderung des Impulses des Protons gleichmäßig zwischen dem Proton vor und nach der Lichtstreuung aufgeteilt wurde. Diese Vereinfachung ergab eine weniger genaue Darstellung der Realität und machte zudem die Simulationen rechenintensiv.

'Für jeden Impulsänderungswert des Protons war eine separate Simulation erforderlich, was die rechnerische Belastung zur Erstellung einer detaillierten Protonenkarte erheblich erhöhte', erklärte Bhattacharya.

'Die neue Methode kann den Effekt des Impulstransfers als ausschließlich auf das austretende Proton - den Endzustand - betrachten. Dies gibt eine Ansicht, die dem eigentlichen physikalischen Prozess näherkommt', sagte sie.

'Am wichtigsten ist, dass der neue theoretische Ansatz es ermöglicht, zahlreiche Impulstransferwerte innerhalb einer einzigen Simulation zu modellieren.'

Die Beschreibung der Quarks und ihrer Wechselwirkungen basiert auf einer Theorie, die als Quantenchromodynamik (QCD) bekannt ist. Aufgrund der vielen Variablen in diesen Gleichungen sind sie sehr schwer zu lösen. Eine Technik, die als Gitter-QCD bezeichnet wird und ursprünglich am Brookhaven Lab entwickelt wurde, hilft, diese Herausforderung zu bewältigen.

In this method, physicists 'place' the quarks on a discretized 4D spacetime lattice—a sort of 3D grid where quarks are at the nodes that accounts for how the arrangement of quarks changes over time (the fourth dimension). Supercomputers solve the equations of QCD by running through all the possible interactions of each quark with all the others, including how those interactions are affected by the myriad variables.

'The new formalism for modeling the interactions of photons (particles of light) with protons made it possible for us to leverage lattice QCD to simulate a much higher number of momentum transfers to achieve higher resolution imaging about 10 times faster than previous efforts,' said study co-author Xiang Gao, a research associate at Argonne National Laboratory.

Because the equations of QCD have separate variables for up and down quarks, the method lets the scientists capture separate images of each quark type and calculate their individual GPDs.

In addition to mapping out the energy-momentum distributions of the up and down quarks, the team also mapped out their charge distributions within protons.

They also explored the quarks' momentum and charge distributions in polarized protons, where the protons' spins are aligned in a particular direction, to investigate how the inner building blocks contribute to the proton's spin. Proton spin is a property used every day in magnetic resonance imaging (MRI), allowing doctors to non-invasively see structures inside our bodies. But how this property arises from the proton's internal building blocks is still a mystery.

'Within a polarized proton, we found that the distribution of the momenta of the down quarks is particularly asymmetric and distorted compared to that of the up quarks,' Gao said. 'Since the spatial distribution of momentum tells us about the angular momentum of quarks inside a proton, these findings show that the different contributions of up and down quarks to the proton's spin arise from their different spatial distributions,' he noted.

According to their calculations, the scientists concluded that up and down quarks can account for less than 70% of the proton's total spin. This implies that the gluons must contribute significantly as well. How the spin (angular momentum) of the proton is distributed among its constituent quarks and gluons provides clues about the proton's internal structure. This, in turn, helps scientists understand the forces that act within the atomic nucleus.

Experimental findings from Brookhaven Lab's Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC), a DOE Office of Science user facility at Brookhaven Lab, support the idea of a significant gluon contribution to spin. This is one of the central questions that will be explored in great detail at the future EIC.

The new theoretical predictions will be used to provide essential information for comparison with those experiments, and to help scientists interpret their data, noted Joshua Miller, a co-author carrying out his Ph.D. research at Temple University under the supervision of Constantinou.

'These two complementary things—the theory and experiment—have to be combined to get the complete image of the proton,' Miller said.

Journal information: Physical Review D

Provided by Brookhaven National Laboratory