Theorie und Experiment verbinden sich, um neues Licht auf den Protonenspin zu werfen

Kernphysiker sind seit langem bestrebt herauszufinden, wie das Proton seinen Spin erhält. Jetzt hat eine neue Methode, die experimentelle Daten mit modernsten Berechnungen kombiniert, ein detaillierteres Bild der Spinbeiträge des Klebers, der die Protonen zusammenhält, enthüllt. Dies ebnet auch den Weg für die Abbildung der 3D-Struktur des Protons.

Die Arbeit wurde von Joseph Karpie geleitet, einem Postdoktoranden am Center for Theoretical and Computational Physics (Theory Center) der Thomas Jefferson National Accelerator Facility des US-Energieministeriums.

Er erklärte, dass dieses jahrzehntealte Rätsel mit Messungen der Quellen des Protonenspins im Jahr 1987 begann. Physiker gingen ursprünglich davon aus, dass die Bausteine ​​des Protons, seine Quarks, die Hauptquelle des Protonenspins sein würden. Aber das ist nicht das, was sie gefunden haben. Es stellte sich heraus, dass die Quarks des Protons nur etwa 30 % des gesamten gemessenen Spins des Protons liefern. Der Rest stammt aus zwei anderen Quellen, die sich bislang als schwieriger zu messen erwiesen.

Eine davon ist die mysteriöse, aber mächtige Kraft. Die starke Kraft ist eine der vier Grundkräfte des Universums. Dies ist es, was Quarks „zusammenklebt“, um andere subatomare Teilchen wie Protonen oder Neutronen zu bilden. Manifestationen dieser starken Kraft werden Gluonen genannt, von denen man annimmt, dass sie zum Spin des Protons beitragen. Es wird angenommen, dass der letzte Spin von den Bewegungen der Quarks und Gluonen des Protons herrührt.

„Bei diesem Artikel handelt es sich gewissermaßen um die Zusammenführung zweier Gruppen am Theory Center, die daran gearbeitet haben, denselben Teil der Physik zu verstehen, nämlich wie die dort vorhandenen Gluonen zur Rotation des Protons beitragen“, sagte er . sagte.

Er sagte, diese Studie sei von einem rätselhaften Ergebnis früher experimenteller Messungen des Gluonenspins inspiriert worden. Die Messungen wurden am Relativistic Heavy Ion Collider durchgeführt, einer Nutzereinrichtung des DOE Office of Science am Brookhaven National Laboratory in New York. Zunächst schienen die Daten darauf hinzudeuten, dass Gluonen zum Spin des Protons beitragen könnten. Sie zeigten ein positives Ergebnis.

Doch als sich die Datenanalyse verbesserte, ergab sich eine andere Möglichkeit.

„Als sie ihre Analyse verbesserten, erhielten sie zwei Sätze von Ergebnissen, die sehr unterschiedlich aussahen, einen positiven und einen negativen“, erklärte Karpie.

Während das vorherige positive Ergebnis darauf hindeutete, dass die Gluonenspins mit denen des Protons übereinstimmen, ließ die verbesserte Analyse die Möglichkeit zu, dass die Gluonenspins insgesamt einen negativen Beitrag leisten. In diesem Fall würde ein größerer Teil des Spins des Protons von der Bewegung der Quarks und Gluonen oder vom Spin der Quarks selbst herrühren.

Dieses rätselhafte Ergebnis wurde von der Jefferson Lab Angular Momentum (JAM)-Kollaboration veröffentlicht.

Inzwischen hatte die HadStruc-Kollaboration die gleichen Maßnahmen auf andere Weise angegangen. Mithilfe von Supercomputern berechneten sie die zugrunde liegende Theorie zur Beschreibung der Wechselwirkungen zwischen Quarks und Gluonen im Proton, die Quantenchromodynamik (QCD).

Um Supercomputer für diese intensive Berechnung auszurüsten, vereinfachen Theoretiker bestimmte Aspekte der Theorie etwas. Diese etwas vereinfachte Version für Computer nennt sich netzwerkbasierte QCD.

Karpie leitete die Arbeit zur Zusammenführung der Daten der beiden Gruppen. Es begann mit kombinierten Daten aus Experimenten, die in Einrichtungen auf der ganzen Welt durchgeführt wurden. Anschließend fügte er seiner Analyse die Ergebnisse der Gitter-QCD-Berechnung hinzu.

„Damit wird alles zusammengeführt, was wir über den Spin von Quarks und Gluonen wissen und wie Gluonen zum Spin des Protons in einer Dimension beitragen“, sagte David Richards, ein leitender Wissenschaftler am Jefferson Lab, der an der Studie arbeitete.

„Als wir es taten, sahen wir, dass die negativen Dinge nicht verschwanden, sondern dass sie sich dramatisch veränderten. Das bedeutet, dass damit etwas Komisches passiert“, sagte Karpie.

Karpie ist der Hauptautor der kürzlich veröffentlichten Studie Körperliche Untersuchung D. Er sagte, die wichtigste Erkenntnis sei, dass die Kombination der Daten beider Ansätze ein fundierteres Ergebnis lieferte.

„Wir kombinieren unsere beiden Datensätze und erhalten ein besseres Ergebnis, als jeder von uns unabhängig voneinander erzielen könnte. Das zeigt wirklich, dass wir durch die Kombination von Netzwerk-QCD und gemeinsamem Experimentieren in einer einzigen Problemanalyse viel mehr lernen“, sagte Karpie. „Dies ist der erste Schritt, und wir hoffen, diesen Weg mit immer mehr Observablen und der Generierung weiterer Netzwerkdaten fortzusetzen.“

Der nächste Schritt besteht darin, die Datensätze weiter zu verbessern. Da leistungsfähigere Experimente detailliertere Informationen über das Proton liefern, beginnen diese Daten, ein Bild zu zeichnen, das über eine einzelne Dimension hinausgeht. Und während Theoretiker lernen, ihre Berechnungen auf immer leistungsfähigeren Supercomputern zu verbessern, werden auch ihre Lösungen präziser und umfassender.

Ziel ist es, letztlich ein dreidimensionales Verständnis der Struktur des Protons zu erlangen.

„Wir lernen also, dass unsere Werkzeuge auf dem einfacheren eindimensionalen Szenario funktionieren. Indem wir unsere Methoden jetzt testen, hoffen wir zu wissen, was wir tun müssen, wenn wir zur 3D-Struktur übergehen wollen“, sagte Richards. „Diese Arbeit wird zu diesem 3D-Bild davon beitragen, wie ein Proton aussehen sollte. Es geht also darum, das Problem auf den Punkt zu bringen, indem wir diese Dinge jetzt einfacher machen.“