کوانک‌ها واقعا چگونه حرکت می‌کنند؟ نظریه‌ای نوین معمای فیزیکی که سال‌ها حل نشده بود را فاش می‌کند
رویکردی نوین مبتنی بر نظریه، دسترسی به حرکت دقیق عرضی کوارک‌ها درون پروتون‌ها را ممکن می‌سازد.
فیزیک‌دانان هسته‌ای چارچوب نظری جدیدی را توسعه داده‌اند که امکان محاسبهٔ کمیتی کلیدی برای درک حرکت سه‌بعدی کوارک‌ها درون یک پروتون را فراهم می‌کند. با به‌کارگیری این روش نوآورانه، پژوهشگران تصویری بسیار دقیق‌تر از حرکت عرضی کوارک‌ها ساخته‌اند؛ حرکتی که در اطراف محور اسپین پروتون و عمود بر جهت پیشروی آن رخ می‌دهد.
محاسبات اخیر به‌خوبی با بازسازی‌های مبتنی بر مدل که از داده‌های برخورد ذرات استخراج شده‌اند، هم‌ساز هستند. این محاسبات به‌ویژه در توصیف کوارک‌های با مومنتوم عرضی کم مؤثرند، حوزه‌ای که روش‌های پیشین دچار کم‌دقتی بودند. دانشمندان قصد دارند از این رویکرد بهبود یافته برای پیش‌بینی دقیق‌تر رفتار کامل سه‌بعدی کوارک‌ها و گلونوهایی که آن‌ها را به‌هم می‌پیوندند، در آزمایش‌های شتابدهندهٔ آتی استفاده کنند.
درک منبع اسپین پروتون یکی از اهداف علمی کلیدی شتابدهندهٔ الکترون‑یون (EIC) است که به‌زودی افتتاح می‌شود. در این مرکز، برخورد پروتون‌های هم‌راستا با اسپین و الکترون‌های انرژی‌بالا این امکان را فراهم خواهد کرد تا حرکت عرضی کوارک‌ها و گلونوها درون پروتون‌ها را با دقتی چشمگیر اندازه‌گیری کنند.
این تصویر‌سازی سه‌بعدی بهبود یافته به روشن‌سازی نقش حرکت کوارک‌ها و گلونوها در تشکیل اسپین کلی پروتون کمک می‌کند. مدل نظری جدید نخستین محاسبات قابل‌اعتمادی را ارائه می‌دهد که نشان می‌دهد توزیع مومنتوم عرضی کوارک‌ها با تغییر انرژی برخورد چگونه تغییر می‌کند.
با ارائه پیش‌بینی‌های دقیق‌تر برای حرکات عرضی در مقیاس کوچک کوارک‌ها، این رویکرد نیاز به تکیه بر مدل‌های پیچیدهٔ تعامل نیروی قوی که رفتار کوارک‌ها و گلونوها را کنترل می‌کند، برطرف می‌سازد.
محاسبات پیشگامانه با استفاده از QCD شبکه‌ای
نظریه‌پردازان هسته‌ای در آزمایشگاه ملی بروکهیون و آزمایشگاه ملی آرگون با موفقیت از رویکرد نظری جدیدی برای محاسبهٔ کرنل کالینز‑سوپر استفاده کردند؛ کمیتی که توزیع مومنتوم عرضی کوارک‌ها درون یک پروتون را با تغییر انرژی برخورد توصیف می‌کند. این تیم از دینامیک رنگی کوانتومی شبکه‌ای (QCD) بهره برد؛ شبیه‌سازی‌های مبتنی بر ابررایانه که تعاملات کوارک‑گلونو را بر روی یک شبکهٔ چهار‑بعدی فضا‑زمان ردیابی می‌کنند.
رویکرد نظری جدید به تیم امکان داد تا محاسبات QCD شبکه‌ای خود را به‌طور چشمگیری ساده‌سازی کنند و نتایج دقیقی حتی برای حرکت عرضی کوچک کوارک‌ها به‌دست آورند، جایی که تعاملات کوارک‑گلونو شدید و پیچیده می‌شوند. چنین توصیف‌های دقیقی از حرکت عرضی کوچک کوارک‌ها در محاسبات قبلی QCD شبکه‌ای با روش‌های سنتی قابل دسترسی نبودند.
نتایج جدید برای کوارک‌های با مومنتوم عرضی کم با نتایج پیشین سازگار هستند، اما دقت بسیار بالاتری دارند و عدم‌قطعی‌ها به طور قابل‌توجهی کمتر هستند. این نتایج همچنین با مدل‌های توسعه‑یافته برای توجیه داده‌های تجربی موجود هم‌سو هستند. این دستاوردها نشان می‌دهند که رویکرد جدید می‌تواند برای پیش‌بینی و تفسیر نتایج آزمایش‌ای آینده در سطوح مختلف انرژی برخورد، هم در شتابدهندهٔ الکترون‑یون (EIC) که در آزمایشگاه ملی بروکهیون ساخته می‌شود، و هم در شتابدهندهٔ هادرونی بزرگ (LHC) اروپا، به‌کار گرفته شود. فیزیک‌دانان از این پیش‌بینی‌ها و آزمایش‌ها برای فهم حرکت عرضی کوچک کوارک‌ها درون پروتون‌ها و نقش آن در اسپین پروتون بهره می‌گیرند.
مراجع:
«توزیعات پارْتون از میادین شتاب‌دار در گِیج کولومب» توسط شیانگ گائو، وی‑یانگ لیو و یونگ ژائو، ۱۰ می ۲۰۲۴، Physical Review D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.109.094506
«هستهٔ کالینز‑سوپر غیرپرتوربی از کوارک‌های چیریکال با جرم‌های فیزیکی» توسط دنيس بول‌وِگ، شیانگ گائو، سواگاتو موخرجی و یونگ ژائو، ۲ آوریل ۲۰۲۴، Physics Letters B.
DOI: 10.1016/j.physletb.2024.138617
این پژوهش با حمایت دفتر انرژی (DOE) – دفتر علم، دفتر فیزیک هسته‌ای، در چارچوب جایزهٔ کشف علمی از طریق محاسبات پیشرفته (SciDAC) با عنوان «فیزیک هسته‌ای بنیادی در مقیاس اکساسکیل و فراتر»، توسط همکاری موضوعی «توموگرافی کوارک‑گلونو»، توسط جایزهٔ کارآفرینی اولیه دفتر علم DOE، و توسط بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد. این تحقیق از زمان محاسباتی فراهم‌شده توسط برنامهٔ INCITE در مرکز محاسبات پیشرو آرگون، برنامهٔ ALCC در مرکز محاسبات پیشرو اوک ریج، و مرکز محاسبات علمی ملی انرژی (NERSC) بهره‌برداری کرد.