核理论家利用超级计算机绘制 3D 物质构成要素图
在我们眼中的固体物质的深处，景象绝非静止的。原子核的构成要素——被称为强子的粒子，高中生会认出它们是质子和中子——的内部是由相互作用的夸克和胶子（统称为部分子）组成的沸腾混合物。现在，一群物理学家聚集在一起，绘制这些部分子图谱，并解开它们如何相互作用形成强子。这些核物理学家在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施（被称为 HadStruc 合作组）工作，他们一直在研究部分子相互作用的数学描述。他们的最新发现最近发表在《高能物理学杂志》上。
“HadStruc 合作组织是一个由杰斐逊实验室理论中心和一些附近大学组成的组织，”HadStruc 成员、杰斐逊实验室理论和计算物理中心的博士后研究员 Joseph Karpie 说道。“我们在威廉玛丽学院和欧道明大学都有一些人。”
论文的其他合作成员包括杰斐逊实验室科学家罗伯特·爱德华兹 (Robert Edwards)、科林·埃格勒 (Colin Egerer)、埃洛伊·罗梅罗 (Eloy Romero) 和大卫·理查兹 (David Richards)。威廉玛丽学院物理系的代表包括埃尔韦·杜特里厄 (Hervé Dutrieux)、克里斯托弗·莫纳汉 (Christopher Monahan) 和科斯塔斯·奥吉诺斯 (Kostas Orginos)，后者也在杰斐逊实验室担任联合职务。阿纳托利·拉迪乌什金 (Anatoly Radyushkin) 也是杰斐逊实验室的联合教员，隶属于老道明大学，而萨瓦斯·扎费罗普洛斯 (Savvas Zafeiropoulos) 则在法国土伦大学任职。
强有力的理论
强子的组成部分称为部分子，它们通过强相互作用结合在一起。强相互作用是自然界的四种基本力之一，另外三种力是引力、电磁力和弱力，在粒子衰变中可以观察到。
Karpie 解释说，HadStruc 合作小组的成员与世界各地的许多理论物理学家一样，正在努力确定夸克和胶子在质子中的位置和分布方式。该小组使用一种称为格子量子色动力学 (QCD) 的数学方法来计算质子的构造方式。
威廉玛丽学院的博士后研究员杜特里厄解释说，该团队的论文概述了一种通过 QCD 镜头理解强子结构的三维方法。这种方法随后通过超级计算机计算实现。
3D 概念基于广义部分子分布 (GPD) 的概念。与通过一维部分子分布函数 (PDF)（一种较旧的 QCD 方法）可视化的结构相比，GPD 具有理论优势。
“嗯，GPD 更好，因为它可以解释我们关于质子的一个大问题，即它的自旋是如何产生的，”Dutrieux 说。“一维 PDF 只能提供非常有限的信息。”
他解释说，质子由两个上夸克和一个下夸克（称为价夸克）组成的近似值。价夸克由强力相互作用产生的可变胶子介导，这些胶子将夸克粘合在一起。这些胶子以及夸克-反夸克对（通常称为夸克-反夸克海，以区别于价夸克）不断被创造并溶解回强力中。
1987 年，人们发现了质子自旋的一个惊人事实，当时实验测量表明夸克的自旋只占质子整体自旋的不到一半。事实上，质子的大部分自旋可能来自胶子自旋和以轨道角动量形式存在的部分子运动。要弄清这一情况，仍需要大量的实验和计算工作。
杜特里厄指出：“GPD 代表着一个有希望的机会来进入这个轨道角部分，并对质子的自旋如何在夸克和胶子之间分布做出有力的解释。”
他继续说，合作希望通过 GPD 解决的另一个方面是称为能量动量张量的概念。
“能量动量张量实际上告诉你质子内部的能量和动量是如何分布的，”杜特里厄说。“它们还告诉你质子如何与重力相互作用。但目前，我们只是在研究它的物质分布。”
使用偶极子表示提取 GPD Mellin 矩的简要总结。引用的不确定性包含对统计和激发态不确定性的评估。来源：《高能物理学杂志》（2024 年）。
模拟数据
如上所述，获取这些信息需要在超级计算机上进行一些复杂的计算。在开发出新方法后，理论学家们对该理论及其假设进行了 65,000 次模拟以进行测试。
这一海量计算是在德克萨斯高级计算机中心的 Frontera 超级计算机和橡树岭领导计算设施（美国能源部科学办公室位于橡树岭国家实验室的用户设施）的 Frontier 超级计算机上进行的。这一数字包括在 350 个随机生成的胶子集合背景下进行的 186 次质子以不同动量移动的模拟。这一计算需要这些设施的处理器共同运行数百万小时。这些结果的最终分析是在杰斐逊实验室的小型超级计算机上完成的。
这项工作的成果是对理论家开发的 3D 方法的一次强有力测试。这次测试是美国能源部夸克胶子断层扫描 (QGT) 专题合作的一个重要里程碑成果。
“这是我们的原理证明。我们想知道这些模拟的结果是否合理，这取决于我们对这些粒子的了解程度，”Karpie 说。“我们的下一步是改进我们在这些计算中使用的近似值。从计算时间上讲，这将花费 100 倍的成本。”
即将出现的新数据
Karpie 指出，HadStruc 合作组织的 GPD 理论已在世界各地的高能设施实验中得到检验。杰斐逊实验室和其他设施正在开展两种通过 GPD 检验强子结构的过程，即深度虚拟康普顿散射 (DVCS) 和深度虚拟介子生成 (DVMP)。
Karpie 和 Dutrieux 预计该团队的工作将列入电子离子对撞机 (EIC) 的实验计划，该粒子加速器正在美国能源部位于长岛的布鲁克海文国家实验室建造。杰斐逊实验室已与布鲁克海文国家实验室合作开展该项目。
预计 EIC 将足够强大，可以探测超出当今仪器信号开始丢失点的强子，但对强子组装结构的探索不会等待 EIC 上线。
“我们在杰斐逊实验室进行了一些新实验。他们现在正在收集数据，并为我们提供信息，以便与我们的计算结果进行比较，”卡皮说。“然后我们希望能够在 EIC 上建立并获得更好的信息。这都是这个进步链的一部分。”
HadStruc 合作组织成员正在寻求在杰斐逊实验室和其他设施中进一步应用他们的 QCD 理论工作。其中一个例子是使用超级计算机计算出几十年来掌握的数据的更精确结果。
Karpie 补充说，他希望能比实验者领先几步。
“QCD 总是落后于实验。我们通常是‘事后预测’，而不是‘预测’正在发生的事情，”Karpie 说。“所以，现在如果我们真的能取得进展——如果我们能做一些实验者还做不到的事情——那就太酷了。”
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