Cálculos revelan vista de alta resolución de quarks dentro de protones.

2 de agosto de 2023

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por Brookhaven National Laboratory

Una colaboración de teóricos nucleares en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE), el Laboratorio Nacional de Argonne, la Universidad Temple, la Universidad Adam Mickiewicz de Polonia y la Universidad de Bonn, Alemania, ha utilizado supercomputadoras para predecir las distribuciones espaciales de las cargas, el momentum y otras propiedades de los quarks 'up' y 'down' dentro de los protones. Los resultados, que acaban de ser publicados en Physical Review D, revelaron diferencias clave en las características de los quarks up y down.

'Este trabajo es el primero en aprovechar un nuevo enfoque teórico para obtener un mapa de alta resolución de los quarks dentro de un protón', dijo Swagato Mukherjee del grupo de teoría nuclear del Laboratorio Nacional de Brookhaven y coautor del artículo. 'Nuestros cálculos muestran que el quark up se distribuye de manera más simétrica y se extiende sobre una distancia más pequeña que el quark down. Estas diferencias implican que los quarks up y down pueden hacer diferentes contribuciones a las propiedades fundamentales y la estructura del protón, incluyendo su energía interna y su espín.'

La coautora Martha Constantinou de la Universidad Temple señaló: 'Nuestros cálculos proporcionan información para interpretar los datos de experimentos de física nuclear que exploran cómo se distribuyen los quarks y los gluones que los mantienen unidos dentro del protón, dando lugar a las propiedades generales del protón'.

Estos experimentos ya están teniendo lugar en las instalaciones de Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), una instalación del Departamento de Ciencia de la Oficina de Energía en el Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Versiones de mayor resolución están planeadas para el futuro Electron-Ion Collider (EIC) en el Laboratorio Nacional de Brookhaven. En estos experimentos, los electrones de alta energía emiten partículas virtuales de luz que chocan y cambian el momentum general de un protón sin descomponerlo.

La forma en que el momentum del protón cambia en respuesta a estos choques revela detalles sobre los quarks y los gluones, los componentes internos del protón, como una técnica de imagen de rayos X para los bloques de construcción de la materia. granel.

Específicamente, los choques dan a los científicos acceso a la Distribución Partónica Generalizada (GPD) del protón; partón es el nombre colectivo que se le da a los quarks y gluones. Si se imagina el protón como una bolsa llena de canicas que representan quarks y gluones, el GPD proporciona una descripción de cómo se distribuyen la energía-momentum y otras características de esas canicas dentro de la bolsa, por ejemplo, cuando se agita la bolsa y las canicas se mueven.

Se puede comparar con un mapa que indica la probabilidad de encontrar una canica con un determinado energía-momentum en una posición específica dentro de la bolsa. Conocer la distribución de estas características de los quarks y los gluones permite a los científicos comprender el funcionamiento interno del protón, lo que puede conducir a nuevas formas de aplicar ese conocimiento.

'Para obtener un mapa detallado, es necesario analizar muchas interacciones de choque, que implican varios valores de cambio de momentum del protón', dijo Shohini Bhattacharya, investigadora asociada en el grupo de teoría nuclear de Brookhaven y en el RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Para simular los múltiples cambios de momentum del protón de manera eficiente, los investigadores tuvieron que desarrollar un nuevo enfoque teórico, publicado recientemente en Physical Review D.

Anteriormente, los teóricos utilizaban la idea de que el cambio de momentum del protón se compartía igualmente entre el protón antes y después de que la luz se dispersara. Esta simplificación proporcionaba una representación menos precisa de la realidad y también hacía que las simulaciones fueran computacionalmente costosas.

'Cada valor de cambio de momentum del protón requería una simulación separada, lo que aumentaba significativamente la carga computacional para obtener un mapa detallado del protón', explicó Bhattacharya.

'El nuevo método puede analizar el efecto de la transferencia de momentum como si todo estuviera en el protón final, el estado final. Esto proporciona una vista que se acerca más al proceso físico real', agregó.

'Lo más importante es que el nuevo enfoque teórico permite modelar numerosos valores de transferencia de momentum dentro de una sola simulación.'

Los cálculos que describen los quarks y sus interacciones se detallan en una teoría conocida como cromodinámica cuántica (QCD). Pero debido a que estas ecuaciones tienen muchas variables, son muy difíciles de resolver. Una técnica conocida como QCD en retículo, desarrollada originalmente en el Laboratorio Nacional de Brookhaven, ayuda a abordar el desafío.

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