Forskare har utvecklat en banbrytande teori för att beräkna vad som händer inuti en proton som färdas med ljusets hastighet.

För mer än 2, 000 år, forskare trodde atomen var den minsta partikel som möjligt. Sedan, de upptäckte att den har en kärna som består av protoner och neutroner omgiven av elektroner. Efter det, de fann att protonerna och neutronerna själva har en komplex inre värld full av kvarker och antikvarker som hålls samman av en superlimliknande kraft skapad av gluoner.

"Protoner tillsammans med neutroner utgör över 99 procent av det synliga universum, betyder allt från galaxer och stjärnor till oss, "sa Yong Zhao, en fysiker vid U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory. "Än, det finns fortfarande mycket vi inte vet om protons eller neutroners rika inre liv. "

Zhao har medförfattat ett papper om en innovativ metod för att beräkna kvark- och gluonstrukturen hos en proton som färdas med ljusets hastighet. Namnet på teamets skapande är en effektiv teori med stor fart, LaMET för kort, som arbetar tillsammans med en teori som kallas gitterkvantkromodynamik (QCD).

Protonen är liten - cirka 100, 000 gånger mindre än en atom, så fysiker modellerar det ofta som en punkt utan dimensioner. Men dessa nya teorier kan förutsäga vad som händer inom ljusets hastighet som om det vore en kropp av tre dimensioner.

Begreppet momentum är viktigt för inte bara LaMET utan fysiken i allmänhet. Det är lika med ett objekts hastighet gånger dess massa.

För mer än ett halvt sekel sedan, Zhao förklarade, en enkel kvarkmodell av fysikerna Murray Gell-Mann och George Zweig avslöjade en del av protonets inre struktur i vila (ingen fart). Från den modellen, forskare avbildade protonen som bestående av tre kvarker och förutspådde deras väsentliga egenskaper, såsom elektrisk laddning och centrifugering.

Senare experiment med protoner accelererade till nära ljusets hastighet visade att protonen är ännu mer komplex än vad man ursprungligen trodde. Till exempel, den innehåller otaliga partiklar som interagerar med varandra - inte bara tre kvarker bundna av gluoner. Och gluonerna kan kort förvandlas till kvark-antikvark-par innan de förstör varandra och blir till en gluon igen. Partikelacceleratorer som den på DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory gav de flesta av dessa resultat.

"När du accelererar protonen och kolliderar den med ett mål, det är då magin händer när det gäller att avslöja dess många mysterier, "Sa Zhao.

Ungefär fem år efter att den enkla kvarkmodellen skakade fysikgemenskapen, en modell föreslagen av Richard Feynman avbildade protonen som färdades nära ljusets hastighet som en stråle som bär ett oändligt antal kvarker och gluoner som rör sig i samma riktning. Han kallade dessa partiklar för "partoner". Hans partonmodell har inspirerat fysiker att definiera en uppsättning mängder som beskriver 3D -protonstrukturen. Forskare kunde sedan mäta dessa mängder i experiment med partikelacceleratorer.

Tidigare beräkningar med den bästa tillgängliga teorin vid den tiden (gitter QCD) gav några upplysande detaljer om fördelningen av kvarker och gluoner i protonen. Men de hade en allvarlig brist:De kunde inte exakt skilja mellan snabba och långsamma partoner.

Svårigheten var att gallret QCD bara kunde beräkna egenskaperna hos protonen som inte är beroende av dess momentum. Men att tillämpa Feynmans partonmodell på gallret QCD kräver att man känner till egenskaperna hos en proton med oändlig fart, vilket innebär att protonpartiklarna alla måste färdas med ljusets hastighet. Delvis fylla den kunskapsluckan, LaMET ger ett recept för att beräkna partonfysiken från gitter QCD för stor men begränsad fart.

"Vi har utvecklat och förädlat LaMET under de senaste åtta åren, "sa Zhao." Vår uppsats sammanfattar detta arbete. "

Kör på superdatorer, gitter QCD-beräkningar med LaMET genererar nya och förbättrade förutsägelser om strukturen för ljusets hastighet av ljus. Dessa förutsägelser kan sedan testas i en ny en-of-a-kind-anläggning som kallas Electron-Ion Collider (EIC). Denna anläggning byggs på DOE:s Brookhaven National Laboratory.

"Vår LaMET kan också förutsäga användbar information om mängder som är utomordentligt svåra att mäta, "sa Zhao." Och med tillräckligt kraftfulla superdatorer, i vissa fall, våra förutsägelser kan till och med vara mer exakta än möjligt att mäta på EIC. "

Med djupare förståelse för materia 3D-kvark-gluonstruktur med hjälp av teori och EIC-mätningar, forskare är redo att nå en mycket mer detaljerad bild av protonen. Vi kommer då att gå in i en ny tid för partonfysik.

Denna forskning publicerades i Recensioner av modern fysik i en artikel med titeln "Large-Momentum Effective Theory." Förutom Zhao, författare inkluderar Xiangdong Ji (University of Maryland), Yizhuang Liu (Jagiellonian University), Yu-Sheng Liu (Shanghai Jiao Tong University) och Jian-Hui Zhang (Beijing Normal University).