Les calculs révèlent une vue haute résolution des quarks à l'intérieur des protons.

2 août 2023

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par Brookhaven National Laboratory

Une collaboration de théoriciens nucléaires du Brookhaven National Laboratory, du Argonne National Laboratory, de Temple University, de l'Université Adam Mickiewicz de Pologne et de l'Université de Bonn, en Allemagne, a utilisé des supercalculateurs pour prédire les distributions spatiales des charges, des quantités de mouvement et d'autres propriétés des quarks 'up' et 'down' à l'intérieur des protons. Les résultats, publiés récemment dans Physical Review D, ont révélé des différences clés dans les caractéristiques des quarks up et down.

'Ce travail est le premier à utiliser une nouvelle approche théorique pour obtenir une carte haute résolution des quarks à l'intérieur d'un proton', a déclaré Swagato Mukherjee du groupe de théorie nucléaire du Brookhaven Lab et co-auteur de l'article. 'Nos calculs montrent que le quark up est distribué de manière plus symétrique et sur une distance plus petite que le quark down. Ces différences impliquent que les quarks up et down peuvent apporter des contributions différentes aux propriétés fondamentales et à la structure du proton, y compris son énergie interne et son spin.'

Martha Constantinou de Temple University, co-auteur de l'article, a noté : 'Nos calculs fournissent des informations pour interpréter les données issues d'expériences de physique nucléaire qui explorent la distribution des quarks et des gluons qui les maintiennent ensemble à l'intérieur du proton, donnant lieu aux propriétés globales du proton.'

De telles expériences sont déjà en cours au Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), une installation de l'Office of Science du DOE au Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Des versions à plus haute résolution sont prévues pour le futur Electron-Ion Collider (EIC) au Brookhaven Lab. Dans ces expériences, des électrons haute énergie émettent des particules virtuelles de lumière qui diffusent et modifient le moment global d'un proton sans le briser.

La manière dont le moment du proton change en réponse à ces diffusions révèle des détails sur les quarks et les gluons - les composants internes du proton - un peu comme une technique d'imagerie par rayons X pour les éléments constitutifs de la matière en vrac.

Plus précisément, les diffusions donnent aux scientifiques accès à la Distribution Parton Généralisée (DPG) du proton - parton étant le nom collectif pour les quarks et les gluons. Si vous imaginez le proton comme un sac rempli de billes représentant des quarks et des gluons, la DPG fournit une description de la manière dont l'énergie-moment et d'autres caractéristiques de ces billes sont réparties à l'intérieur du sac - par exemple, lorsque le sac est secoué et que les billes se déplacent.

On peut le comparer à une carte qui indique la probabilité de trouver une bille avec un énergie-moment spécifique à une position particulière à l'intérieur du sac. Connaître la distribution de ces caractéristiques des quarks et des gluons permet aux scientifiques de comprendre le fonctionnement interne du proton, ce qui peut conduire à de nouvelles applications de ces connaissances.

'Pour obtenir une carte détaillée, nous devons analyser de nombreuses interactions de diffusion, impliquant différentes valeurs de changement de moment du proton', a déclaré Shohini Bhattacharya, collaboratrice de recherche dans le groupe de théorie nucléaire de Brookhaven et au RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Pour simuler les multiples changements de moment du proton de manière efficace, les chercheurs ont dû développer une nouvelle approche théorique, récemment publiée dans Physical Review D.

Auparavant, les théoriciens utilisaient l'idée selon laquelle le changement de moment du proton était partagé également entre le proton avant et après la diffusion de la lumière. Cette simplification offrait une représentation moins précise de la réalité et rendait également les simulations plus coûteuses en termes de calcul.

'Chaque valeur de changement de moment du proton nécessitait une simulation séparée, ce qui augmentait considérablement la charge de calcul pour obtenir une carte détaillée du proton', a expliqué Bhattacharya.

'La nouvelle méthode peut examiner l'effet du transfert de moment en supposant que tout se produit sur le proton sortant - l'état final. Cela offre une vue plus proche du processus physique réel', a-t-elle dit.

'Plus important encore, la nouvelle approche théorique permet de modéliser de nombreuses valeurs de transfert de moment au cours d'une seule simulation.'

Les calculs décrivant les quarks et leurs interactions sont expliqués dans une théorie appelée chromodynamique quantique (QCD). Mais en raison du grand nombre de variables de ces équations, il est très difficile de les résoudre. Une technique connue sous le nom de QCD sur réseau, initialement développée au Brookhaven Lab, aide à relever le défi.

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