הטוויסט הקוונטי: חשיפת הספין הנסתר של הפרוטון

מחקר חדש המשלב גישות ניסיוניות וחישוביות מספק תובנות מעמיקות יותר לגבי תרומות ספין פרוטונים מגלואונים.

פיזיקאים גרעיניים בחנו ללא לאות את מקורותיו של ספין פרוטונים. גישה חדשנית, הממזגת נתונים ניסיוניים עם חישובים חדישים, האירה כעת את תרומות הספין מגלואונים – החלקיקים הקושרים פרוטונים. התקדמות זו מהווה גם את הבמה להדמיה תלת מימדית של מבנה הפרוטונים.

ג'וזף קרפי, עמית פוסט-דוקטורט במרכז לפיזיקה תיאורטית וחישובית (מרכז תיאוריה) במתקן האצה הלאומי תומס ג'פרסון של משרד האנרגיה האמריקני, הוביל את המחקר פורץ הדרך הזה.

הקשר היסטורי

הוא אמר שהתעלומה בת עשרות השנים הזו החלה במדידות של מקורות הספין של הפרוטון בשנת 1987. פיזיקאים חשבו במקור שאבני הבניין של הפרוטון, הקווארקים שלו, יהיו המקור העיקרי לספין של הפרוטון. אבל זה לא מה שהם מצאו. התברר שהקוורקים של הפרוטון מספקים רק כ-30% מסך הספין הנמדד של הפרוטון. השאר מגיע משני מקורות אחרים שעד כה התבררו כקשים יותר למדידה.

האחד הוא הכוח החזק המסתורי אך העוצמתי. הכוח החזק הוא אחד מארבעת הכוחות הבסיסיים ביקום. זה מה ש"דביק" קווארקים יחד כדי ליצור חלקיקים תת-אטומיים אחרים, כגון פרוטונים או נויטרונים. ביטויים של כוח חזק זה נקראים גלוונים, אשר נחשבים כתורמים לספין של הפרוטון. סביר להניח שהחלק האחרון של הספין מגיע מתנועות הקווארקים והגלואונים של הפרוטון.

אתגרים ניסויים והתקדמות תיאורטית

"המאמר הזה הוא סוג של חיבור של שתי קבוצות במרכז התיאוריה שעבדו בניסיון להבין את אותו חלק בפיזיקה, וזו הדרך שבה הגלואונים שנמצאים בתוכו תורמים לכמה שהפרוטון מסתובב. ," הוא אמר.

הוא אמר שהמחקר הזה נוצר בהשראת תוצאה תמוהה שהגיעה ממדידות ניסוי ראשוניות של הספין של הגלואונים. המדידות בוצעו ב-Relativistic Heavy Ion Collider, מתקן משתמש של DOE Office of Science שבסיסו במעבדה הלאומית ברוקהייבן בניו יורק. הנתונים בהתחלה הצביעו על כך שהגלואונים עשויים לתרום לספין של הפרוטון. הם הראו תוצאה חיובית.

אבל ככל שניתוח הנתונים שופר, הופיעה אפשרות נוספת.

"כשהם שיפרו את הניתוח שלהם, הם התחילו לקבל שתי קבוצות של תוצאות שנראו שונות לגמרי, האחת הייתה חיובית והשנייה הייתה שלילית", הסביר קרפי.

בעוד שהתוצאה החיובית המוקדמת יותר הצביעה על כך שהספינים של הגלואונים מיושרים עם זה של הפרוטון, הניתוח המשופר אפשר את האפשרות שלספינים של הגלואונים יש תרומה שלילית כוללת. במקרה כזה, יותר מהספין של הפרוטונים יגיע מתנועת הקווארקים והגלואונים, או מהספין של הקווארקים עצמם.

תוצאה תמוהה זו פורסמה על ידי שיתוף הפעולה של Jefferson Lab Angular Momentum (JAM).

מאמצים משותפים בניתוח ספין פרוטונים

בינתיים, שיתוף הפעולה של HadStruc התייחס לאותן מדידות בצורה שונה. הם השתמשו במחשבי-על כדי לחשב את התיאוריה הבסיסית שמתארת ​​את האינטראקציות בין קווארקים וגלואונים בפרוטון, כרומודינמיקה קוונטית (QCD).

כדי לצייד מחשבי-על לבצע את החישוב האינטנסיבי הזה, תיאורטיקנים מפשטים מעט כמה היבטים של התיאוריה. גרסה מעט פשוטה זו עבור מחשבים נקראת סריג QCD.

קרפי הוביל את העבודה לאיחוד הנתונים משתי הקבוצות. הוא התחיל עם הנתונים המשולבים מניסויים שנעשו במתקנים ברחבי העולם. לאחר מכן הוא הוסיף את התוצאות מחישוב ה-QCD הסריג לניתוח שלו.

"זה מרכיב את כל מה שאנחנו יודעים על ספין קווארק וגלואון וכיצד גלוונים תורמים לספין של הפרוטון בממד אחד", אמר דיוויד ריצ'רדס, מדען בכיר במעבדת ג'פרסון שעבד על המחקר.

"כשעשינו זאת, ראינו שהדברים השליליים לא נעלמו, אבל הם השתנו באופן דרמטי. זה אומר שיש משהו מצחיק שקורה עם אלה, "אמר קרפי.

השלכות וכיוונים עתידיים

Karpie הוא המחבר הראשי של המחקר שפורסם לאחרונה ב סקירה פיזית ד. לדבריו, התוצאה העיקרית היא ששילוב הנתונים משתי הגישות סיפק תוצאה מושכלת יותר.

"אנחנו משלבים את שני מערכי הנתונים שלנו יחד ומשיגים תוצאה טובה יותר ממה שכל אחד מאיתנו יכול להשיג באופן עצמאי. זה באמת מראה שאנחנו לומדים הרבה יותר על ידי שילוב של סריג QCD וניסוי יחד בניתוח בעיה אחת", אמר קרפי. "זהו הצעד הראשון, ואנו מקווים להמשיך לעשות זאת עם יותר ויותר נצפים כמו גם שניצור יותר נתוני סריג."

השלב הבא הוא שיפור נוסף של מערכי הנתונים. ככל שניסויים חזקים יותר מספקים מידע מפורט יותר על הפרוטון, הנתונים הללו מתחילים לצייר תמונה שחורגת מממד אחד. וככל שתיאורטיקנים לומדים כיצד לשפר את החישובים שלהם במחשבי-על חזקים יותר ויותר, הפתרונות שלהם הופכים גם למדויקים ומכילים יותר.

המטרה היא לייצר בסופו של דבר הבנה תלת מימדית של מבנה הפרוטון.

"לכן, אנו לומדים שהכלים שלנו עובדים על התרחיש החד-מימדי הפשוט יותר. על ידי בדיקת השיטות שלנו כעת, אנו מקווים שנדע מה עלינו לעשות כאשר אנו רוצים לעלות למבנה תלת מימד", אמר ריצ'רדס. "עבודה זו תתרום לתמונה התלת-ממדית הזו של איך פרוטון צריך להיראות. אז זה הכל על לבנות את דרכנו ללב הבעיה על ידי ביצוע הדברים הקלים האלה עכשיו."