计算揭示了质子内部夸克的高分辨率视图

 布鲁克海文国家实验室、阿贡国家实验室、天普大学、波兰亚当密茨凯维奇大学和德国波恩大学的核理论家合作，使用超级计算机来预测空间质子内“上”夸克和“下”夸克的电荷、动量和其他属性的分布。刚刚发表 在 《物理评论 D》上的研究结果 揭示了上夸克和下夸克特性的关键差异。

“这项工作首次利用新的理论方法来获得质子内夸克的高分辨率图，”布鲁克海文实验室核理论小组的斯瓦加托·穆克吉(Swagato Mukherjee)说，他也是该论文的合著者。“我们的计算表明，上夸克比下夸克分布更对称，传播距离也更小。这些差异意味着上夸克和下夸克可能对质子的基本性质和结构(包括其内能和自旋)做出不同的贡献。”

天普大学的合著者玛莎·康斯坦丁努指出：“我们的计算为解释核物理实验的数据提供了输入，这些实验探索了 夸克和 将它们结合在一起的 胶子如何在质子内分布，从而产生质子的整体性质。”

此类实验已经在连续电子束加速器设施 (CEBAF)进行 ，该设施是科学办公室位于托马斯·杰斐逊国家加速器设施的用户设施。 布鲁克海文实验室未来的电子离子对撞机(EIC)计划采用更高分辨率的版本 。在这些实验中，高能电子发射出虚拟的光粒子，这些粒子会散射并改变质子的整体动量，而不会分解质子。质子动量随这些散射而变化的方式揭示了夸克和胶子(质子的内部组成部分)的细节，有点像大块物质构建块的 X 射线成像技术。

GPD 的新理论方法

具体来说，散射使科学家能够了解质子的广义帕顿分布(GPD)——帕顿是夸克和胶子的统称。如果将质子想象成一个装满代表夸克和胶子的弹珠的袋子，GPD 会描述这些弹珠的能量动量和其他特性如何在袋子内分布，例如，当袋子摇动时弹珠会弹起。四处走走。它可以与一张地图进行比较，该地图指示在袋子内的特定位置找到具有特定能量动量的弹珠的可能性。了解这些夸克和胶子特征的分布使科学家能够了解质子的内部运作，这可能会带来应用这些知识的新方法。

“为了获得详细的图，我们需要分析许多散射相互作用，包括质子动量变化的各种值，”布鲁克海文核理论小组和RIKEN BNL 研究中心 (RBRC) 的研究员 Shohini Bhattacharya 说。

为了有效地模拟质子的多次动量变化，研究人员必须开发一种新颖的理论方法，该方法 最近发表 在 《物理评论 D》上。

此前，理论学家使用的想法是，质子动量的变化在光散射之前和之后的质子之间平均分配。这种简化提供了对现实的不太准确的表示，并且也使得模拟的计算成本昂贵。

“质子的每个动量变化值都需要单独的模拟，这显着增加了获得详细质子图的计算负担，”巴塔查亚解释道。

“新方法可以将动量传递的影响视为所有对传出质子(最终状态)的影响。这给出了更接近实际物理过程的观点，”她说。

“最重要的是，新的理论方法使得在一次模拟中对大量动量传递值进行建模成为可能。”

利用格子

描述夸克及其相互作用的计算在称为量子色动力学(QCD)的理论中详细阐述。但由于这些方程有很多变量，求解起来非常困难。最初由布鲁克海文实验室开发的一种称为晶格 QCD 的技术有助于应对这一挑战。

在这种方法中，物理学家将夸克“放置”在离散的 4D 时空晶格上，这是一种 3D 网格，其中夸克位于节点上，该节点解释了夸克的排列如何随时间变化(第四维)。超级计算机通过遍历每个夸克与所有其他夸克的所有可能的相互作用来求解 QCD 方程，包括这些相互作用如何受到无数变量的影响。

“用于模拟光子(光粒子)与质子相互作用的新形式使我们能够利用晶格 QCD 来模拟更多数量的动量转移，从而实现更高分辨率的成像，速度比以前的速度大约快 10 倍，”该研究的合著者是阿贡国家实验室的研究员。

由于 QCD 方程对于上夸克和下夸克有单独的变量，因此该方法可以让科学家捕获每种夸克类型的单独图像并计算它们各自的 GPD。

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