Ett konstnärsintryck av hur protonen tillverkas. Kvarkarna och gluonerna snurrar och bidrar till att ge exakt ½ för protonens spinn. Frågan hur det görs och hur mycket var och en bidrar med har varit ett pussel sedan 1987. Kredit:Courtesy Brookhaven National Laboratory
Forskare i en forskargrupp ledd av Constantia Alexandrou, professor i fysik vid Cyperns universitet och Cyperns institut, tog ett avgörande steg mot att lösa ett tre decennier gammalt pussel:De har framgångsrikt dechiffrerat nukleonens totala rörelsemängd (spin) avgöra hur det delas mellan dess beståndsdelar. CSCS superdator Piz Daint tillhandahöll de nödvändiga beräkningsresurserna.
Nukleoner - protoner och neutroner - är huvudbeståndsdelarna i atomkärnor. Dessa partiklar i sin tur består av ännu mindre elementarpartiklar som kallas kvarkar och gluoner. Varje nukleon har sin egen inneboende rörelsemängd, eller snurra. Att känna till elementarpartiklarnas spinn är viktigt för att förstå fysikaliska och kemiska processer. Spin är ansvarig för ett materials grundläggande egenskaper, till exempel, fasförändringar i icke-ledande material som plötsligt gör dem till supraledare vid mycket låga temperaturer.
Teoretiska modeller antog ursprungligen att nukleonens spinn endast kom från kvarkar som ingick i det. Men 1987 högenergifysikexperiment utförda av European Muon Collaboration utlöste vad som kom att kallas "protonspinkrisen". Experiment utförda vid CERN, DESY och SLAC visade att kvarkar bara bidrar med 30 procent av protonspinnet. Sedan dess, det har varit oklart vilka andra effekter som bidrar till spinn, och i vilken utsträckning. Högenergifysikstudierna antydde att kvarka-antikvarkpar med sina kortlivade mellantillstånd kan vara i spel här – med andra ord, rent relativistiska kvanteffekter.
Trettio år senare, dessa mystiska effekter har äntligen redovisats i beräkningar utförda på CSCS-superdatorn Piz Daint av en forskargrupp ledd av Constantia Alexandrou från University of Cypern i Nicosia; den gruppen inkluderade också forskare från DESY-Zeuthen, Tyskland, och från Temple och Utah University, USA. För första gången, forskare kunde beräkna de kvantitativa bidragen från ingående kvarkar, gluoner och havskvarkar – havskvarkar är ett kortlivat mellantillstånd av kvark-antikvarkar inuti nukleonet – till nukleonspin. Med sina beräkningar, gruppen tog ett avgörande steg mot att lösa pusslet som orsakade protonspinkrisen.
Sammansättningen av protonspinnet bland kvarkarna (blå och lila kolumner med linjerna), havskvarkar (blå, lila och röda solida kolumner) och gluoner (grön kolumn). Felen visas av staplarna. Kredit:Constantia Alexandrou et al.
För att beräkna partiklarnas spinn, forskarna måste redogöra för kvarkarnas verkliga fysiska massa. "En numerärt utmanande uppgift, men av väsentlig betydelse för att säkerställa att parametrarnas värden i simuleringarna överensstämmer med verkligheten, säger Karl Jansen, huvudforskare vid DESY-Zeuthen och medförfattare till projektet. Den starka kraft som verkar här, som överförs av gluonerna, är en av fysikens fyra grundläggande krafter. Den starka kraften är verkligen, tillräckligt stark för att förhindra avlägsnande av en kvark från en proton; denna fastighet, känd som inneslutning, resulterar i enorm bindningsenergi som i slutändan håller ihop nukleonbeståndsdelarna. Forskarna använde pionens massa, en så kallad meson, bestående av en upp- och en ned-antikvark – "ljuskvarkarna" – för att fixera massan av upp- och nerkvarkarna till den fysiska kvarkmassan som kommer in i simuleringarna.
Om pionens massa beräknad från simuleringen motsvarar det experimentellt bestämda värdet, då anser forskarna att simuleringen görs med de faktiska fysiska värdena för kvarkmassan. Och det är precis vad Alexandrou och hennes forskare har uppnått i sitt projekt, som publicerades idag i tidskriften Fysiska granskningsbrev .
Deras simuleringar tog också hänsyn till valenskvarkar (beståndskvarkar), havskvarkar och gluoner. Forskarna använde gitterteorin om kvantkromodynamik (gitter QCD) för att beräkna detta "hav" av partiklar och deras QCD-interaktioner.
Den största utmaningen med simuleringarna var att minska statistiska fel vid beräkning av "spinbidrag" från havskvarkar och gluoner, säger Alexandrou. "Dessutom, en betydande del var att genomföra åternormaliseringen av dessa kvantiteter." Med andra ord, de var tvungna att omvandla de dimensionslösa värdena som bestämts av simuleringarna till ett fysiskt värde som kan mätas experimentellt – som spinnet som bärs av beståndsdelen och havskvarkar och gluonerna som forskarna letade efter. De är de första som inkluderar gluoner i sådana beräkningar, vilket krävde att man beräknade miljoner av "propagatorerna" som beskriver hur kvarkar rör sig mellan två punkter i rum-tid.
"Att göra kraftfulla superdatorer som Piz Daint öppna och tillgängliga över hela Europa är oerhört viktigt för europeisk vetenskap, ", konstaterar Jansen. "Simuleringar så utarbetade som detta var möjliga endast tack vare kraften hos Piz Daint, och eftersom vi föroptimerat våra algoritmer för att på bästa sätt utnyttja maskinens grafikprocessorer, tillade Alexandrou.
