I calcoli rivelano una vista ad alta risoluzione dei quark all'interno dei protoni.

2 agosto 2023

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a cura di Brookhaven National Laboratory

Una collaborazione di teorici nucleari del Brookhaven National Laboratory del dipartimento dell'Energia statunitense (DOE), dell'Argonne National Laboratory, della Temple University, dell'Adam Mickiewicz University della Polonia e dell'Università di Bonn in Germania, ha utilizzato supercomputer per prevedere le distribuzioni spaziali di cariche, momento e altre proprietà dei quark "up" e "down" all'interno dei protoni. I risultati, appena pubblicati in Physical Review D, hanno rivelato differenze chiave nelle caratteristiche dei quark up e down.

'Questo lavoro è il primo a sfruttare un nuovo approccio teorico per ottenere una mappa ad alta risoluzione dei quark all'interno di un protone', ha detto Swagato Mukherjee del gruppo di teoria nucleare del Brookhaven Lab e co-autore dell'articolo. 'I nostri calcoli mostrano che il quark up è distribuito in modo più simmetrico e si estende su una distanza più piccola rispetto al quark down. Queste differenze implicano che i quark up e down possono apportare contributi diversi alle proprietà fondamentali e alla struttura del protone, inclusa la sua energia interna e lo spin.'

Martha Constantinou della Temple University, co-autrice dello studio, ha osservato: 'I nostri calcoli forniscono informazioni per interpretare i dati degli esperimenti di fisica nucleare che esplorano come i quark e i gluoni che li tengono insieme siano distribuiti all'interno del protone, dando origine alle proprietà complessive del protone.'

Esperimenti di questo tipo sono già in corso presso il Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), una struttura dell'Ufficio della Scienza del DOE presso il Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Versioni ad alta risoluzione sono previste per il futuro Electron-Ion Collider (EIC) presso il Brookhaven Lab. In questi esperimenti, elettroni ad alta energia emettono particelle virtuali di luce che si scontrano e cambiano il momento complessivo di un protone senza romperlo.

Il modo in cui il momento del protone cambia in risposta a questi scontri rivela dettagli sui quark e i gluoni, i componenti interni del protone, in modo simile a una tecnica di imaging a raggi X per i mattoni fondamentali della materia.

In particolare, gli scontri permettono agli scienziati di accedere alla Generalized Parton Distribution (GPD) del protone, parton essendo il nome collettivo per i quark e i gluoni. Se immaginate il protone come una borsa piena di biglie che rappresentano i quark e i gluoni, il GPD fornisce una descrizione di come energia-momento e altre caratteristiche di queste biglie siano distribuite all'interno della borsa - ad esempio quando la borsa viene scossa e le biglie si muovono.

Può essere paragonato a una mappa che indica la probabilità di trovare una biglia con un energia-momento specifico in una posizione particolare all'interno della borsa. Conoscere la distribuzione di queste caratteristiche di quark e gluoni consente agli scienziati di capire il funzionamento interno del protone, il che può portare a nuovi modi di applicare tali conoscenze.

'Per ottenere una mappa dettagliata, dobbiamo analizzare molteplici interazioni di scontro, coinvolgendo diversi valori di cambiamento di momento del protone', ha detto Shohini Bhattacharya, un associato di ricerca nel gruppo di teoria nucleare di Brookhaven e nel RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Per simulare gli avvenimenti di cambiamento di momento del protone in modo efficiente, i ricercatori hanno dovuto sviluppare un nuovo approccio teorico, pubblicato recentemente in Physical Review D.

Precedentemente, i teorici utilizzavano l'idea che il cambiamento di momento del protone fosse equamente distribuito tra il protone prima e dopo la diffusione della luce. Questa semplificazione forniva una rappresentazione meno accurata della realtà e rendeva anche le simulazioni computazionalmente costose.

'Ogni valore di cambiamento di momento del protone richiedeva una simulazione separata, aumentando significativamente il carico computazionale per ottenere una mappa dettagliata del protone', ha spiegato Bhattacharya.

'Il nuovo metodo può osservare l'effetto del trasferimento di momento come se fosse tutto sul protone in uscita, lo stato finale. Questo offre una visione più vicina al processo fisico effettivo', ha detto.

'Inoltre, il nuovo approccio teorico rende possibile modellare numerosi valori di trasferimento di momento all'interno di una singola simulazione.'

I calcoli che descrivono i quark e le loro interazioni sono descritti in una teoria nota come cromodinamica quantistica (QCD). Ma poiché queste equazioni hanno molte variabili, sono molto difficili da risolvere. Una tecnica nota come lattice QCD, originariamente sviluppata presso il Brookhaven Lab, aiuta a affrontare questa sfida.

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