Πώς κινούνται τα κουάρκ; Νέα θεωρία «ξεκλειδώνει» ένα μυστήριο δεκαετιών της Φυσικής
Γραφικό που δείχνει την εγκάρσια κίνηση ενός κουάρκ (πράσινη σφαίρα) μέσα σε ένα πρωτόνιο του οποίου η περιστροφή (spin) είναι ευθυγραμμισμένη με την κατεύθυνση της κίνησής του (μεγάλο κίτρινο βέλος). Φωτογραφία: Valerie Lentz/Brookhaven National Laboratory
Μια νέα θεωρητική προσέγγιση προσφέρει πρόσβαση στη λεπτομερή εγκάρσια κίνηση των κουάρκ μέσα σε ένα πρωτόνιο.
Πυρηνικοί φυσικοί ανέπτυξαν ένα νέο θεωρητικό πλαίσιο που τους επιτρέπει να υπολογίσουν ένα κρίσιμο μέγεθος για την κατανόηση της τρισδιάστατης κίνησης των κουάρκ στο εσωτερικό ενός πρωτονίου. Χρησιμοποιώντας αυτήν την καινοτόμο μέθοδο, οι ερευνητές δημιούργησαν μια πολύ πιο ακριβή εικόνα της εγκάρσιας κίνησης των κουάρκ – της κίνησης που συμβαίνει γύρω από τον άξονα περιστροφής (spin axis) του πρωτονίου και σε ορθή γωνία προς την εμπρόσθια κατεύθυνσή του.
Οι πιο πρόσφατοι υπολογισμοί ευθυγραμμίζονται στενά με τις ανακατασκευές που βασίζονται σε μοντέλα και προέρχονται από δεδομένα σύγκρουσης σωματιδίων. Είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικοί στην περιγραφή των κουάρκ με χαμηλή εγκάρσια ορμή — μια περιοχή όπου οι παλαιότερες τεχνικές υστερούσαν σε ακρίβεια. Οι επιστήμονες σχεδιάζουν να χρησιμοποιήσουν αυτή τη βελτιωμένη προσέγγιση για να προβλέψουν με μεγαλύτερη ακρίβεια την πλήρη τρισδιάστατη συμπεριφορά των κουάρκ και των γλουονίων που τα συνδέουν, σε μελλοντικά πειράματα επιταχυντών.
Η κατανόηση της προέλευσης του σπιν του πρωτονίου αποτελεί έναν από τους βασικούς επιστημονικούς στόχους του επερχόμενου Επιταχυντή Συγκρούσεων Ηλεκτρονίων–Ιόντων (Electron-Ion Collider, EIC). Σε αυτή την εγκατάσταση, οι συγκρούσεις μεταξύ πρωτονίων με ευθυγραμμισμένο σπιν και ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας θα επιτρέψουν τη μέτρηση της εγκάρσιας κίνησης των κουάρκ και των γλουονίων μέσα στα πρωτόνια με εντυπωσιακή ακρίβεια.
Αυτή η βελτιωμένη τρισδιάστατη απεικόνιση θα βοηθήσει να αποσαφηνιστεί πώς η κίνηση των κουάρκ και των γλουονίων συμβάλλει στο συνολικό σπιν ενός πρωτονίου. Το νέο θεωρητικό μοντέλο παρέχει τους πρώτους αξιόπιστους υπολογισμούς που δείχνουν πώς μεταβάλλεται η κατανομή της εγκάρσιας ορμής των κουάρκ καθώς αλλάζει η ενέργεια της σύγκρουσης.
Προσφέροντας πιο ακριβείς προβλέψεις για τις μικρής κλίμακας εγκάρσιες κινήσεις των κουάρκ, η νέα προσέγγιση αίρει την ανάγκη εξάρτησης από πολύπλοκα μοντέλα αλληλεπιδράσεων της ισχυρής πυρηνικής δύναμης, η οποία καθορίζει τη συμπεριφορά των κουάρκ και των γλουονίων.
Πυρηνικοί θεωρητικοί από το Εθνικό Εργαστήριο Brookhaven και το Εθνικό Εργαστήριο Argonne πέτυχαν να χρησιμοποιήσουν με επιτυχία μια νέα θεωρητική προσέγγιση για να υπολογίσουν τον πυρήνα Collins–Soper, ένα μέγεθος που περιγράφει πώς η κατανομή της εγκάρσιας ορμής των κουάρκ μέσα σε ένα πρωτόνιο μεταβάλλεται με την ενέργεια της σύγκρουσης.
Η ομάδα χρησιμοποίησε την κβαντική χρωμοδυναμική πλέγματος (lattice QCD), προσομοιώσεις βασισμένες σε υπερυπολογιστές που παρακολουθούν τις αλληλεπιδράσεις κουάρκ–γλουονίων σε ένα τετραδιάστατο πλέγμα χωροχρόνου.
Η νέα θεωρητική προσέγγιση επέτρεψε στους ερευνητές να απλοποιήσουν σημαντικά τους υπολογισμούς τους στο πλαίσιο της lattice QCD και να αποκτήσουν ακριβή αποτελέσματα ακόμη και για τη μικρή εγκάρσια κίνηση των κουάρκ, μια περιοχή όπου οι αλληλεπιδράσεις κουάρκ–γλουονίων γίνονται ισχυρές και πολύπλοκες.
Τόσο ακριβείς περιγραφές της μικρής εγκάρσιας κίνησης των κουάρκ δεν είχαν επιτευχθεί σε προηγούμενους υπολογισμούς lattice QCD που βασίζονταν σε πιο συμβατικές μεθόδους. Τα νέα αποτελέσματα για κουάρκ με χαμηλή εγκάρσια ορμή είναι συνεπή με προηγούμενες μελέτες, αλλά παρουσιάζουν πολύ μεγαλύτερη ακρίβεια και σημαντικά μικρότερες αβεβαιότητες. Επιπλέον, συμφωνούν με θεωρητικά μοντέλα που έχουν αναπτυχθεί για να εξηγήσουν τα υπάρχοντα πειραματικά δεδομένα.
Αυτά τα επιτεύγματα δείχνουν ότι η νέα προσέγγιση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την πρόβλεψη και ερμηνεία μελλοντικών πειραματικών αποτελεσμάτων σε διαφορετικά επίπεδα ενέργειας σύγκρουσης, τόσο στον Επιταχυντή Συγκρούσεων Ηλεκτρονίων-Ιόντων (EIC), που κατασκευάζεται στο Brookhaven, όσο και στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στην Ευρώπη. Οι φυσικοί θα αξιοποιήσουν αυτές τις προβλέψεις και τα πειράματα για να μελετήσουν τη λεπτομερή εγκάρσια κίνηση των κουάρκ μέσα στα πρωτόνια και να κατανοήσουν πώς αυτή η κίνηση συμβάλλει στο συνολικό σπιν του πρωτονίου.
Πηγές: “Parton distributions from boosted fields in the Coulomb gauge” by Xiang Gao, Wei-Yang Liu and Yong Zhao, 10 May 2024, Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094506
“Nonperturbative Collins-Soper kernel from chiral quarks with physical masses” by Dennis Bollweg, Xiang Gao, Swagato Mukherjee and Yong Zhao, 2 April 2024, Physics Letters B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138617