Графическое изображение поперечного движения кварка (зелёная сфера) внутри протона, спин которого направлен в сторону движения (большая жёлтая стрелка). Изображение предоставлено Валери Ленц/Брукхейвенской национальной лабораторией.

Новый теоретический подход позволяет изучить мельчайшие поперечные движения кварков внутри протонов

Физики-ядерщики разработали новую теоретическую модель, которая позволяет им вычислять важнейшую величину для понимания трёхмерного движения кварков внутри протона. Используя этот инновационный метод, исследователи создали гораздо более точную картину поперечного движения кварков — движения, которое происходит вокруг оси вращения протона и под прямым углом к его поступательному движению.

Последние расчёты хорошо согласуются с модельными реконструкциями, полученными на основе данных о столкновениях частиц. Они особенно эффективны для описания кварков с низким поперечным импульсом — области, в которой более старым методам не хватало точности. Ученые планируют использовать этот усовершенствованный подход для более точного прогнозирования трехмерного поведения кварков и глюонов, которые их связывают, в предстоящих экспериментах на коллайдере.

Понимание источника спина протона — одна из ключевых научных задач будущего электрон-ионного коллайдера (EIC). На этом устройстве столкновения протонов со спином, совпадающим с направлением движения, и высокоэнергетических электронов позволят измерить поперечное движение кварков и глюонов внутри протонов с поразительной точностью.

Эта улучшенная трёхмерная визуализация поможет понять, как движение кварков и глюонов влияет на общий спин протона. Новая теоретическая модель позволяет впервые провести надёжные расчёты, показывающие, как меняется распределение поперечного импульса кварков при изменении энергии столкновения.

Предлагая более точные прогнозы относительно мелкомасштабных поперечных движений кварков, этот подход устраняет необходимость полагаться на сложные модели сильных взаимодействий, которые управляют поведением кварков и глюонов.

Прорывные вычисления с использованием решёточной КХД

Теоретики-ядерщики из Брукхейвенской национальной лаборатории и Аргоннской национальной лаборатории успешно применили новый теоретический подход для вычисления ядра Коллинза — Сопера — величины, которая описывает, как меняется распределение поперечного импульса кварков внутри протона в зависимости от энергии столкновения. Команда использовала решеточную квантовую хромодинамику (КХД) — моделирование на суперкомпьютерах, которое отслеживает кварк-глюонные взаимодействия на четырёхмерной пространственно-временной решётке.

Новый теоретический подход позволил команде значительно упростить расчеты КХД на решетке и получить точные результаты даже для небольшого поперечного движения кварков, когда кварк-глюонные взаимодействия становятся сильными и сложными. Такие точные описания малого поперечного движения кварков не могли быть достигнуты в предыдущих расчетах КХД на решетке, в которых использовались более традиционные подходы.

Новые результаты для кварков с низким поперечным импульсом согласуются с предыдущими результатами, но являются гораздо более точными и имеют значительно меньшую погрешность. Они также соответствуют моделям, разработанным для объяснения существующих экспериментальных данных. Эти достижения показывают, что новый подход можно использовать для прогнозирования и интерпретации будущих экспериментальных результатов при различных энергиях столкновений на строящемся в Брукхейвенской национальной лаборатории Большом адронном коллайдере и на Европейском большом адронном коллайдере. Физики будут использовать эти прогнозы и результаты экспериментов, чтобы изучить небольшое поперечное движение кварков внутри протонов и то, как это движение влияет на спин протона.

Ссылки:

«Партонные распределения в ускоренных полях в кулоновской калибровке» Сян Гао, Вэй-Ян Лю и Юн Чжао, 10 мая 2024 г., Physical Review D. DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094506

«Непертурбативное ядро Коллинза — Сопера из киральных кварков с физическими массами», Деннис Боллвег, Сян Гао, Свагато Мукерджи и Юн Чжао, 2 апреля 2024 г., Physics Letters B. DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138617