Hadroner är svårfångade superstjärnor i den subatomära världen, utgör nästan all synlig materia, och den brittiske teoretiska fysikern Antoni Woss har arbetat flitigt med kollegor vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility för att lära känna dem bättre.

Nu, Woss doktorsavhandling om spinning av hadroner har gett honom 2019 års Jefferson Science Associates Thesis Prize.

"Det är en enorm ära. Jag hade inte förväntat mig det här alls, sa Woss, 27. "Det är bara fantastiskt att tänka att det arbete jag hade gjort, folk hade verkligen tittat på och känt igen och sagt, 'Det här är verkligen användbart. Det här driver verkligen framåt den typ av idéer och den riktning vi ville gå."

Kärnfysiker strävar efter att förstå egenskaperna hos hadroner, subatomära kompositpartiklar som bildas när kvarkar - universums lego - binds samman på föreskrivna sätt av gluoner, elementarpartiklarna som bär den starka kraften.

Tre bundna kvarkar, till exempel, bildar baryoner (t.ex. protoner och neutroner), medan kvark- och antikvarkpar bildar mesoner. Men det finns många andra möjliga kombinationer.

"Det finns mycket komplicerade sätt på vilka du kan tänka på att hålla ihop dessa legos, " sa Woss. "Så kvarken och antikvarken bildar tillsammans mesoner, men de kan snurra i olika riktningar i förhållande till varandra. De kan också kretsa runt varandra på olika sätt. De kan också ha någon annan funky dynamik på gång - till exempel, upphetsade gluoniska frihetsgrader. När vi beräknar teorin, vi kan börja se de olika typerna av mesoner som du kan ha och hur alla dessa olika dynamik går samman för att ge oss partiklarna vi ser i våra experiment."

Woss avhandling, "Spridningen av spinnande Hadroner från Lattice QCD, " diskuterar hans ansträngningar att bidra till ett slags periodiskt system för hadroner - vad och hur många det finns, deras egenskaper, om experimentalister ser några som teoretiker inte är, och vice versa.

Gitter QCD, eller Lattice Quantum Chromodynamik, är en standardmetod inom fysik för att beräkna QCD och studera egenskaperna hos hadroner.

Woss mål var att ta itu med frågor om det breda spektrumet av möjliga hadronstater, att titta på teorin som ligger till grund för hur saker och ting hänger ihop och räkna ut egenskaperna hos de hadroner som kan uppträda enligt den uppsättning regler som säger hur kvarkar och gluoner interagerar. Särskilt, han har fokuserat på att beräkna egenskaperna hos hadroner som kan sönderfalla till andra hadroner som har ett värde som inte är noll på "spin" - en grundläggande egenskap hos subatomära partiklar.

"Många av dem vet vi egentligen inte så mycket om alls, " sa Woss. "Så ett experiment kan se något och säga, 'Hallå, vi hittade något och det verkar ha dessa egenskaper, ' och ett annat experiment kan säga, 'Hallå, vi hittar inte detta, vi hittar något annat.' Och då är frågan, vad är rätt bild?"

För sitt doktorandarbete, Woss körde superdatorsimuleringar för att använda gitter QCD för att undersöka egenskaperna hos partiklar som uppträder i högenergikolliderexperiment.

"Vi försöker beräkna egenskaperna hos unika partiklar som kan sönderfalla till andra hadroner med icke-noll spin från teori utanför ett experiment - och tittar på dessa hadroner som vi verkligen inte har tittat på med dessa första principers teoretiska beräkningar tidigare, " sa han. "Vi kan då se vad det säger oss om deras egenskaper och stämmer det överens med vad experimentet har sett."

Ett experiment pågår vid Jefferson Lab nu som relaterar till en av hans avhandlingsberäkningar.

"Och det är verkligen intressant att se, med de nya data som kommer från det experimentet, hur exakt eller hur nära eller vad skillnaderna är mellan vad teorin har förutspått och experimentet, " Sa Woss. "Är det något mer på gång här eller är det något vi inte förstår? Har det teoretiska resultatet realiserats i experimentdata?"

I sin avhandling, till exempel, Woss beskriver en ambitiös beräkning av en viss partikel, b1 mesonen.

"Det visade verkligen att datorsimuleringarna och Lattice QCD nu är vid en punkt där vi kan fråga och svara på dessa ganska svåra, utmanande frågor om hadroner som kan förfalla till andra hadroner med icke-noll spin, sa Woss. Så vad jag hoppades ha gjort, och vad jag tror att jag uppnådde, var att pressa gitter-QCD-ramverket till en punkt där det verkligen kan börja bidra med svar till en mängd intressanta hadroner som delar den här egenskapen – det finns en hel del av dem!"

JSA Thesis Prize, grundades 1999, finansieras av Jefferson Science Associates (JSA) Initiatives Fund-programmet, som JSA tillhandahåller för att stödja program, initiativ och aktiviteter som främjar den vetenskapliga räckvidden, och främja vetenskapen, Jefferson Labs utbildnings- och teknikuppdrag och gynnar laboratoriets användargemenskap. Det ges varje år för den bästa doktorsexamen. avhandling om forskning relaterad till Jefferson Labs vetenskap. Det inkluderar en $2, 500 kontantutmärkelse och en commemorative plakett. Domare väger fyra kriterier:kvaliteten på det skriftliga arbetet, studentens bidrag till forskningen, arbetets inverkan på fysikområdet, och service – hur arbetet bidrar till Jefferson Lab eller andra experiment.

"Det är en mycket sofistikerad beräkning, den första i sitt slag, och är en viktig och imponerande prestation, sade Will Brooks, JLUO BOD ordförande och grundande experimentell gruppledare vid Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile, där han också är professor.

Woss gjorde tre besök på Newport News från 2017 till 2019 för att rådgöra med kollegor som är en del av hadronspektrumsamarbetet baserat på Jefferson Lab. Förra året, han tog sin doktorsexamen från University of Cambridge i tillämpad matematik och teoretisk fysik och högenergifysik.

Han sa att han siktar på en karriär inom industrin - kanske inom mjukvaruutveckling, där han inte bara kan tillämpa sin fysik- och superdatorexpertis, men också hans senare intresse för maskininlärning och artificiell intelligens.

"Det finns många paralleller mellan hur du tolkar data i fysik och vad du gör i ett vidare sammanhang, " sa Woss. "Till exempel, letar efter mönster – det finns mycket överlappning. Under det senaste årtiondet, det har skett en stor revolution i hur industrin och forskare använder data för att verkligen se på alla möjliga problem på lite olika sätt."

Woss växte upp i Worksop, en stad i Nottinghamshire i centrala England omgiven av skogar och gruvbyar. Hans mamma är speciallärare och hans pappa arbetar inom kolindustrin. Han krediterar både för sin livslånga nyfikenhet på hur saker fungerar och sin affinitet för problemlösning.