JHEP: Суперкомпьютеры помогут построить и изучить структуру протонов и нейтронов

В центре атомов, которые состоят из протонов и нейтронов, находится смесь кварков и глюонов. Группа физиков из HadStruc Collaboration составила карту этих частиц и изучает их взаимодействие.

Результаты опубликованы в журнале Journal of High Energy Physics.

HadStruc Collaboration — это группа, созданная на базе Теоретического центра Лаборатории Джефферсона и некоторых близлежащих университетов. В ней есть учёные из Университета Уильяма и Мэри и Университета Олд Доминион.

Соавторы статьи: Роберт Эдвардс, Колин Эгерер, Элой Ромеро, Дэвид Ричардс (Лаборатория Джефферсона), Эрве Дютрие, Кристофер Монахан и Костас Оргинос (Университет Уильяма и Мэри), Анатолий Радюшкин (Лаборатория Джефферсона, Университет Олд Доминион) и Саввас Зафейропулос (Университет Тулона, Франция).

Сильная теория

Партоны — компоненты адронов, связанные сильным взаимодействием. Это одна из четырёх фундаментальных сил природы, помимо гравитации, электромагнетизма и слабой силы, которая наблюдается при распаде частиц.

Учёные HadStruc, как и многие физики-теоретики по всему миру, пытаются определить распределение кварков и глюонов внутри протона. Они используют математический подход — решетчатую квантовую хромодинамику (КХД), чтобы рассчитать структуру протона.

Постдокторант Уильям и Мэри Дютрие пояснил, что группа применяет трёхмерный подход к пониманию адронной структуры через призму КХД. Этот подход был реализован с помощью суперкомпьютерных расчётов.

Трёхмерная концепция основана на обобщённых партонных распределениях (GPD). Они имеют преимущества по сравнению со структурами, которые визуализируются с помощью одномерных функций распределения партонов (PDFs).

GPD гораздо лучше, так как она позволяет понять, как возникает спин протона, — говорит Дютрие.

Одномерный PDF даёт очень ограниченное представление об этом.

Протон состоит из двух восходящих и одного нисходящего кварков — валентных кварков. Их связывают глюоны, возникающие в результате силовых взаимодействий. Эти глюоны и пары кварк-антикварк постоянно создаются и растворяются обратно в силе.

В 1987 году учёные сделали удивительное открытие о спине протона: оказалось, что спин кварков составляет менее половины общего спина протона.

Спин протона может быть обусловлен спином глюона и движением партонов в виде орбитального углового момента. Чтобы разобраться в этом вопросе, нужно провести ещё много исследований.

Дютрие отметил, что GPD могут помочь понять, как спин протона распределяется между кварками и глюонами. Также коллаборация надеется изучить с помощью GPD концепцию, известную как тензор момента энергии.

Дютрие сказал:

Тензор импульса энергии показывает, как распределены энергия и импульс внутри протона и как протон взаимодействует с гравитацией. Но пока мы просто изучаем распределение материи.

Моделирование данных

Для получения этой информации требуются сложные вычисления на суперкомпьютерах. Теоретики разработали новый подход и провели 65 000 симуляций теории и её предположений, чтобы проверить её на практике.

Эти расчёты были выполнены на Frontera в Техасском центре передовых вычислений и на Frontier в Oak Ridge Leadership Computing Facility — пользовательском центре Управления по науке Министерства энергетики США в Национальной лаборатории Ок-Ридж. Процессоры этих установок работали совместно миллионы часов.

Окончательный анализ результатов был завершён на меньших суперкомпьютерах в Лаборатории Джефферсона.

Мы проверили 3D-подход, разработанный теоретиками, и получили важный результат для сотрудничества DOE по кварк-глюонной томографии (QGT).

Карпи:

Мы хотели узнать, будут ли результаты моделирования выглядеть разумно. Наш следующий шаг — улучшить приближения, которые мы использовали в этих расчётах. Это в 100 раз дороже с точки зрения вычислительного времени.

Новые данные на горизонте

Карпи сообщил, что теория GPD, разработанная HadStruc, исследуется в экспериментах на высокоэнергетических установках по всему миру.

Два процесса изучения структуры адронов с помощью GPD — глубоко виртуальное комптоновское рассеяние (DVCS) и глубоко виртуальное производство мезонов (DVMP) — проводятся в Лаборатории Джефферсона и других установках.

Карпи и Дютрие предполагают, что работа группы будет включена в программу экспериментов на строящемся ускорителе частиц Электронно-ионном коллайдере (EIC). В этом проекте участвует Лаборатория Джефферсона совместно с Брукхейвенской национальной лабораторией.

Ожидается, что EIC будет достаточно мощным, чтобы исследовать адроны за пределами точки, где современные приборы теряют сигнал. Однако изучение структуры сборки адронов не будет ждать запуска EIC.

В Лаборатории Джефферсона проводятся новые эксперименты. Сейчас они собирают данные, которые мы сравним с нашими расчётами, — говорит Карпи. Мы надеемся получить больше информации в EIC. Это часть прогресса.

HadStruc ищет новые применения своей работы по теории КХД. Например, они используют суперкомпьютеры для более точных расчётов по данным, собранным несколько десятилетий назад.

Карпи сказал, что они надеются опередить экспериментаторов.

Он также отметил, что раньше КХД обычно предсказывала то, что уже было известно из экспериментов, а не предугадывала новые результаты.

Иллюстрация: нейросеть

17.09.2024