Теория и эксперимент объединились, чтобы пролить новый свет на спин протона

Физики-ядерщики уже давно работают над тем, чтобы выяснить, как протон получает свой спин. Теперь новый метод, сочетающий экспериментальные данные с современными расчетами, позволил получить более подробную картину вклада спина от того самого “клея”, который удерживает протоны вместе. Это также открывает путь к получению изображения трехмерной структуры протона.

Работу возглавил Джозеф Карпи, постдокторант Центра теоретической и вычислительной физики (Центр теории) при Национальном ускорительном центре имени Томаса Джефферсона Министерства энергетики США.

По его словам, эта десятилетняя загадка началась с измерений источников спина протона в 1987 году. Изначально физики полагали, что основным источником спина протона являются его строительные блоки — кварки. Но они обнаружили совсем другое. Оказалось, что кварки протона обеспечивают лишь около 30 % всего измеренного спина протона. Остальное поступает из двух других источников, которые до сих пор было трудно измерить.

Один из них — загадочная, но мощная сила. Сильная сила — одна из четырех фундаментальных сил во Вселенной. Именно она “склеивает” кварки между собой, образуя другие субатомные частицы, такие как протоны или нейтроны. Проявления этой сильной силы называются глюонами, которые, как считается, вносят свой вклад в спин протона. Считается, что последняя часть спина возникает из-за движения кварков и глюонов протона.

“Эта статья — своего рода объединение двух групп в Теоретическом центре, которые работали над тем, чтобы понять одну и ту же часть физики, а именно: как глюоны, которые находятся внутри протона, способствуют тому, что протон вращается“, — сказал он.

По его словам, на это исследование его вдохновил загадочный результат, полученный в ходе первых экспериментальных измерений спина глюонов. Измерения проводились на релятивистском коллайдере тяжелых ионов — установке, используемой Управлением по науке Министерства энергетики США, расположенной в Брукхейвенской национальной лаборатории в Нью-Йорке. Сначала казалось, что данные указывают на то, что глюоны могут вносить вклад в спин протона. Они показывали положительный результат.

Но по мере совершенствования анализа данных появилась еще одна возможность.

“Когда они улучшили свой анализ, то начали получать два набора результатов, которые казались совершенно разными: один был положительным, а другой — отрицательным“, — объясняет Карпи.

В то время как предыдущий положительный результат указывал на то, что спин глюонов выровнен со спином протона, улучшенный анализ позволил допустить возможность того, что спин глюонов вносит общий отрицательный вклад. В этом случае спин протона будет в большей степени обусловлен движением кварков и глюонов или спином самих кварков.

Этот загадочный результат был опубликован коллаборацией Лаборатории Джефферсона по изучению углового момента (JAM).

Тем временем коллаборация HadStruc занималась теми же измерениями другим способом. Они использовали суперкомпьютеры для расчета теории, лежащей в основе описания взаимодействия кварков и глюонов в протоне, — квантовой хромодинамики (КХД).

Чтобы оснастить суперкомпьютеры для проведения таких интенсивных расчетов, теоретики несколько упростили некоторые аспекты теории. Эта несколько упрощенная версия для компьютеров называется решетчатой КХД.

Карпи возглавил работу по объединению данных обеих групп. Он начал с объединенных данных экспериментов, проведенных на установках по всему миру. Затем он добавил в свой анализ результаты расчетов решетчатой КХД.

“Мы собрали воедино все, что знаем о спине кварков и глюонов и о том, как глюоны влияют на спин протона в одном измерении“, — сказал Дэвид Ричардс, старший научный сотрудник Лаборатории Джефферсона, работавший над исследованием.

“Мы увидели, что негативные моменты не исчезли, но сильно изменились. Это означает, что с ними происходит что-то интересное“, — сказал Карпи.

Карпи является ведущим автором исследования, которое недавно было опубликовано в журнале Physical Review D. По его словам, главный вывод заключается в том, что объединение данных, полученных с помощью обоих подходов, позволило получить более обоснованный результат.

“Мы объединяем оба наших набора данных и получаем лучший результат, чем каждый из нас мог бы получить независимо. Это показывает, что мы узнаем гораздо больше, объединяя решетчатую КХД и эксперимент в рамках одного анализа проблемы“, — говорит Карпи. “Это первый шаг, и мы надеемся продолжать делать это со все большим количеством наблюдаемых величин, а также получать больше данных по решетке”.

Следующий шаг — дальнейшее совершенствование наборов данных. Поскольку более мощные эксперименты позволяют получить более подробную информацию о протоне, эти данные начинают рисовать картину, выходящую за рамки одного измерения. А по мере того как теоретики учатся улучшать свои расчеты на все более мощных суперкомпьютерах, их решения также становятся все более точными и всеобъемлющими.

Цель состоит в том, чтобы в конечном итоге получить трехмерное представление о структуре протона.

“Итак, мы узнали, что наши инструменты работают на более простом одномерном сценарии. Протестировав наши методы сейчас, мы, надеюсь, будем знать, что нам нужно делать, когда мы захотим перейти к трехмерной структуре“, — сказал Ричардс. “Эта работа внесет свой вклад в создание 3D-образа того, как должен выглядеть протон. Так что речь идет о том, чтобы проложить путь к сердцу проблемы, делая эти более простые вещи сейчас”.