Kärnfysiker har länge arbetat med att avslöja hur protonen får sin spinn. Nu har en ny metod som kombinerar experimentella data med toppmoderna beräkningar avslöjat en mer detaljerad bild av spinnbidrag från själva limmet som håller ihop protoner. Det banar också vägen för att avbilda protonens 3D-struktur.
Arbetet leddes av Joseph Karpie, en postdoktor vid Center for Theoretical and Computational Physics (Theory Center) vid det amerikanska energidepartementets Thomas Jefferson National Accelerator Facility.
Han sa att detta årtionden gamla mysterium började med mätningar av källorna till protonens spinn 1987. Fysiker trodde ursprungligen att protonens byggstenar, dess kvarkar, skulle vara huvudkällan till protonens spinn. Men det var inte vad de hittade. Det visade sig att protonens kvarkar bara ger cirka 30 % av protonens totala uppmätta spinn. Resten kommer från två andra källor som hittills visat sig vara svårare att mäta.
Den ena är den mystiska men mäktiga starka kraften. Den starka kraften är en av de fyra grundläggande krafterna i universum. Det är det som "limmar" kvarkar tillsammans för att göra upp andra subatomära partiklar, såsom protoner eller neutroner. Manifestationer av denna starka kraft kallas gluoner, som tros bidra till protonens spinn. Den sista biten av spinn tros komma från rörelserna av protonens kvarkar och gluoner.
"Den här artikeln är en slags sammanföring av två grupper i teoricentret som har arbetat för att försöka förstå samma bit av fysik, vilket är hur gluonerna som finns inuti den bidrar till hur mycket protonen snurrar runt. ," sa han.
Han sa att denna studie var inspirerad av ett förbryllande resultat som kom från initiala experimentella mätningar av gluonernas spinn. Mätningarna gjordes vid Relativistic Heavy Ion Collider, en DOE Office of Science-användaranläggning baserad på Brookhaven National Laboratory i New York. Uppgifterna verkade först tyda på att gluonerna kan bidra till protonens spinn. De visade ett positivt resultat.
Men när dataanalysen förbättrades dök ytterligare en möjlighet upp.
"När de förbättrade sin analys började de få två uppsättningar resultat som verkade ganska olika, den ena var positiv och den andra var negativ," förklarade Karpie.
Medan det tidigare positiva resultatet indikerade att gluonernas snurr är i linje med protonens, tillät den förbättrade analysen möjligheten att gluonernas snurr har ett totalt negativt bidrag. I så fall skulle mer av protonspinnet komma från kvarkarnas och gluonernas rörelse, eller från själva kvarkarnas spinn.
Detta förbryllande resultat publicerades av Jefferson Lab Angular Momentum (JAM)-samarbetet.
Under tiden hade HadStruc-samarbetet behandlat samma mätningar på ett annat sätt. De använde superdatorer för att beräkna den underliggande teorin som beskriver interaktionerna mellan kvarkar och gluoner i protonen, Quantum Chromodynamik (QCD).
För att utrusta superdatorer för att göra denna intensiva beräkning förenklar teoretiker en del aspekter av teorin. Denna något förenklade version för datorer kallas lattice QCD.
Karpie ledde arbetet med att sammanföra data från båda grupperna. Han började med de kombinerade data från experiment som tagits i anläggningar runt om i världen. Han lade sedan till resultaten från gitter-QCD-beräkningen i sin analys.
"Detta sätter ihop allt vi vet om kvark och gluonspin och hur gluoner bidrar till protonens spinn i en dimension", säger David Richards, en senior forskare från Jefferson Lab som arbetade med studien.
"När vi gjorde det såg vi att de negativa sakerna inte försvann, men de förändrades dramatiskt. Det innebar att det är något roligt på gång med dem", sa Karpie.
Karpie är huvudförfattare till studien som nyligen publicerades i Physical Review D . Han sa att det viktigaste är att kombinationen av data från båda metoderna gav ett mer välgrundat resultat.
"Vi kombinerar båda våra datauppsättningar tillsammans och får ett bättre resultat än någon av oss kunde få oberoende. Det visar verkligen att vi lär oss mycket mer genom att kombinera gitter QCD och experimentera tillsammans i en problemanalys", säger Karpie. "Detta är det första steget, och vi hoppas kunna fortsätta göra detta med fler och fler observerbara objekt samtidigt som vi gör mer gitterdata."
Nästa steg är att ytterligare förbättra datamängderna. Eftersom kraftfullare experiment ger mer detaljerad information om protonen, börjar dessa data måla en bild som går utöver en dimension. Och när teoretiker lär sig att förbättra sina beräkningar på allt kraftfullare superdatorer, blir deras lösningar också mer exakta och inkluderande.
Målet är att så småningom få fram en tredimensionell förståelse av protonens struktur.
"Så vi lär oss att våra verktyg fungerar på det enklare endimensionella scenariot. Genom att testa våra metoder nu kommer vi förhoppningsvis att veta vad vi behöver göra när vi vill gå upp för att göra 3D-struktur," sa Richards. "Detta arbete kommer att bidra till den här 3D-bilden av hur en proton ska se ut. Så det handlar om att bygga oss upp till problemets kärna genom att göra det här enklare nu."
