הצצה פנימה פרוטונים: מחשבי-על חושפים את סודות הקווארק

תאורטיקנים גרעיניים פיתחו מפה ברזולוציה גבוהה של התפלגויות קווארקים בתוך פרוטונים, תוך הבחנה בין התפקידים של קווארקים למעלה ולמטה במאפייני פרוטונים באמצעות מודלים חישוביים מתקדמים.

שיתוף פעולה של תיאורטיקנים גרעיניים במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה האמריקאי (DOE), במעבדה הלאומית של ארגון, אוניברסיטת טמפל, אוניברסיטת אדם מיצקביץ' בפולין ואוניברסיטת בון, גרמניה, השתמש במחשבי-על כדי לחזות את ההתפלגות המרחבית של מטענים, מומנטום, ותכונות אחרות של קווארקים "למעלה" ו"למטה" בתוך פרוטונים. התוצאות, שפורסמו בכתב העת סקירה פיזית דחשפו הבדלים מרכזיים במאפיינים של הקווארקים למעלה ולמטה.

"עבודה זו היא הראשונה למנף גישה תיאורטית חדשה להשגת מפה ברזולוציה גבוהה של קווארקים בתוך פרוטון", אמר סוואטו מוחרג'י מקבוצת התיאוריה הגרעינית של מעבדת ברוקהייבן ומחבר שותף במאמר. "החישובים שלנו מראים שהקווארק למעלה מופץ בצורה סימטרית יותר ומתפשט למרחק קטן יותר מהקווארק למטה. ההבדלים הללו מרמזים שקווארקים מעלה ומטה עשויים לתרום תרומות שונות לתכונות היסודיות ולמבנה של הפרוטון, כולל האנרגיה הפנימית והספין שלו."

מחברת שותפה מרתה קונסטנטינו מאוניברסיטת טמפל ציינה, "החישובים שלנו מספקים קלט לפירוש נתונים מניסויים בפיסיקה גרעינית החוקרים כיצד הקווארקים והגלואונים שמחזיקים אותם יחד מופצים בתוך הפרוטון, מה שמוביל לתכונות הכוללות של הפרוטון."

ניסויים כאלה כבר מתרחשים במתקן ה-Continuous Electron Beam Accelerator (CEBAF), מתקן משתמש של DOE Office of Science במתקן האצה הלאומי של תומס ג'פרסון. גרסאות ברזולוציה גבוהה יותר מתוכננות עבור מאיץ האלקטרון-יון העתידי (EIC) במעבדת ברוקהייבן. בניסויים אלה, אלקטרונים בעלי אנרגיה גבוהה פולטים חלקיקי אור וירטואליים שמתפזרים ומשנים את התנע הכולל של פרוטון מבלי לפרק אותו. האופן שבו המומנטום של הפרוטון משתנה בתגובה לפיזורים אלה חושף פרטים על הקווארקים והגלואונים – המרכיבים הפנימיים של הפרוטון – בערך כמו טכניקת הדמיית רנטגן לאבני הבניין של חומר בתפזורת.

גישה תיאורטית חדשה ל-GPD

באופן ספציפי, הפיזורים מעניקים למדענים גישה להתפלגות הפרטון הכללית (GPD) של הפרטון – הפרטון הוא השם הכולל של קווארקים וגלואונים. אם אתה מדמיין את הפרוטון כשקית מלאה בגולות המייצגות קווארקים וגלואונים, ה-GPD מספק תיאור של האופן שבו מומנטום האנרגיה ומאפיינים אחרים של גולות אלה מופצים בתוך השקית – למשל, כאשר השקית מזועזעת והגולות לנוע. אפשר להשוות אותו למפה שמציינת את הסבירות למצוא גולה עם מומנטום אנרגיה מסוים במיקום מסוים בתוך השקית. הכרת התפלגות מאפייני הקווארק והגלואון הללו מאפשרת למדענים להבין את פעולתו הפנימית של הפרוטון, מה שעשוי להוביל לדרכים חדשות ליישם את הידע הזה.

"כדי להשיג מפה מפורטת, עלינו לנתח אינטראקציות פיזור רבות, הכוללות ערכים שונים של שינוי מומנטום של הפרוטון", אמרה Shohini Bhattacharya, שותפה למחקר בקבוצת התיאוריה הגרעינית של ברוקהייבן ובמרכז המחקר RIKEN BNL (RBRC).

כדי לדמות ביעילות את שינויי המומנטום המרובים של הפרוטון, החוקרים נאלצו לפתח גישה תיאורטית חדשה שפורסמה לאחרונה ב סקירה פיזית ד.

בעבר, תיאורטיקנים השתמשו ברעיון שהשינוי במומנטום של הפרוטון התחלק שווה בשווה בין הפרוטון לפני פיזור האור ואחריו. הפישוט הזה סיפק ייצוג פחות מדויק של המציאות וגם הפך את ההדמיות ליקר מבחינה חישובית.

"כל ערך שינוי מומנטום של הפרוטון דרש סימולציה נפרדת, שהגדילה משמעותית את הנטל החישובי כדי להשיג מפת פרוטונים מפורטת", הסביר בהטצ'ריה.

"השיטה החדשה יכולה להסתכל על ההשפעה של העברת המומנטום ככולה על הפרוטון היוצא – המצב הסופי. זה נותן השקפה קרובה יותר לתהליך הפיזי בפועל", אמרה.

"הכי חשוב, הגישה התיאורטית החדשה מאפשרת ליצור מודל של ערכי העברת מומנטום רבים בתוך סימולציה אחת."

מינוף הסריג

החישובים המתארים קווארקים והאינטראקציות ביניהם מתוארים בתיאוריה המכונה כרומודינמיקה קוונטית (QCD). אבל מכיוון שלמשוואות אלו יש משתנים רבים, קשה מאוד לפתור אותם. טכניקה המכונה סריג QCD, שפותחה במקור במעבדת Brookhaven, עוזרת להתמודד עם האתגר.

בשיטה זו, הפיזיקאים "ממקמים" את הקווארקים על סריג מרחב-זמן 4D דיסקרטי – מעין רשת תלת-ממדית שבה קווארקים נמצאים בצמתים, שמסבירה כיצד משתנה סידור הקווארקים עם הזמן (המימד הרביעי). מחשבי-על פותרים את המשוואות של QCD על-ידי ריצה דרך כל האינטראקציות האפשריות של כל קווארק עם כל האחרים, כולל האופן שבו אינטראקציות אלו מושפעות מאינספור המשתנים.

"הפורמליזם החדש למידול האינטראקציות של פוטונים (חלקיקי אור) עם פרוטונים איפשר לנו למנף את הסריג QCD כדי לדמות מספר גבוה בהרבה של העברות מומנטום כדי להשיג הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר בערך פי 10 מהר יותר מהמאמצים הקודמים", אמר. מחבר המחקר Xiang Gao, עמית מחקר במעבדה הלאומית Argonne.

מכיוון שלמשוואות ה-QCD יש משתנים נפרדים לקווארקים של מעלה ומטה, השיטה מאפשרת למדענים לצלם תמונות נפרדות מכל סוג קווארקים ולחשב את ה-GPD האישי שלהם.

תוצאות והשלכות

בנוסף למיפוי התפלגות האנרגיה-תנופה של הקווארקים למעלה ולמטה, הצוות גם מיפה את התפלגות המטען שלהם בתוך פרוטונים. הם גם חקרו את התפלגות המומנטום והמטען של הקווארקים בפרוטונים מקוטבים, שבהם ספינים של הפרוטונים מיושרים בכיוון מסוים, כדי לחקור כיצד אבני הבניין הפנימיות תורמות לספין של הפרוטון. ספין פרוטונים הוא תכונה המשמשת מדי יום בהדמיית תהודה מגנטית (MRI), המאפשרת לרופאים לראות באופן לא פולשני מבנים בתוך גופנו. אבל איך המאפיין הזה נובע מאבני הבניין הפנימיות של הפרוטון הוא עדיין בגדר תעלומה.

"בתוך פרוטון מקוטב, מצאנו שהתפלגות המומנטים של הקווארקים למטה היא א-סימטרית ומעוותת במיוחד בהשוואה לזו של הקווארקים למעלה", אמר גאו. "מכיוון שההתפלגות המרחבית של התנע מספרת לנו על התנע הזוויתי של קווארקים בתוך פרוטון, ממצאים אלה מראים שהתרומות השונות של קווארקים למעלה ולמטה לספין של הפרוטון נובעות מההתפלגות המרחבית השונות שלהם", הוא ציין.

לפי החישובים שלהם, המדענים הגיעו למסקנה שקווארקים מעלה ומטה יכולים להוות פחות מ-70% מסך הספין של הפרוטון. זה מרמז שהגלואונים חייבים לתרום משמעותית גם כן. האופן שבו הספין (התנע הזוויתי) של הפרוטון מתחלק בין הקווארקים והגלואונים המרכיבים אותו מספק רמזים לגבי המבנה הפנימי של הפרוטון. זה, בתורו, עוזר למדענים להבין את הכוחות הפועלים בתוך גרעין האטום.

ממצאים ניסיוניים מ-Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) של מעבדת ברוקהייבן, מתקן משתמש של DOE Office of Science במעבדת ברוקהייבן, תומכים ברעיון של תרומה משמעותית של גלואון לספין. זו אחת השאלות המרכזיות שייחקרו בפירוט רב ב-EIC העתידי.

התחזיות התיאורטיות החדשות ישמשו כדי לספק מידע חיוני להשוואה עם אותם ניסויים, וכדי לעזור למדענים לפרש את הנתונים שלהם, ציין ג'ושוע מילר, שותף בביצוע הדוקטורט שלו. מחקר באוניברסיטת טמפל בפיקוחו של קונסטנטינו.

"יש לשלב את שני הדברים המשלימים האלה – התיאוריה והניסוי – כדי לקבל את התמונה השלמה של הפרוטון", אמר מילר.

עבודה זו נתמכה על ידי משרד המדע של DOE (NP) והקרן הלאומית למדע. חישובים לעבודה זו בוצעו בחלקם על מתקנים של USQCD Collaboration ו-Oak Ridge Leadership Computing Facility – מתקן משתמש של DOE Office of Science ב-Oak Ridge National Laboratory. מימון ומשאבים חישוביים נוספים מפורטים במאמר המדעי.