Dentro de lo que percibimos como materia sólida, el paisaje es todo menos estático. El interior de los componentes básicos del núcleo de un átomo (partículas llamadas hadrones que un estudiante de secundaria reconocería como protones y neutrones) está formado por una mezcla interactiva de quarks y gluones, conocidos colectivamente como partones.
Un grupo de físicos se ha reunido para mapear estas partículas y analizar cómo interactúan para formar hadrones. Con base en las instalaciones del Acelerador Nacional Thomas Jefferson del Departamento de Energía de EE. UU. y conocidas como HadStruc Collaboration, estos físicos nucleares están trabajando en una descripción matemática de las interacciones entre partones. Sus últimos hallazgos se publicaron recientemente. Revista de física de altas energías.
“La colaboración HeadStrike es un grupo del Jefferson Lab Theory Center y algunas universidades cercanas”, dijo Joseph Carpi, miembro de HeadStrike, investigador postdoctoral en el Jefferson Lab Theory Center for Theoretical and Computational Physics. “Tenemos algunas personas en William and Mary y en la Universidad Old Dominion”.
Otros miembros de la colaboración que son coautores del artículo son los científicos del Laboratorio Jefferson Robert Edwards, Colin Egger, Eloy Romero y David Richards. El Departamento de Física de William & Mary está representado por Hervé Dutrieux, Christopher Monahan y Kostas Orginos, quienes también ocupan puestos conjuntos en Jefferson Lab. Anatoly Radyushkin también es miembro conjunto de la facultad del Laboratorio Jefferson de la Universidad Old Dominion, mientras que Savvas Zafeiropoulos está en la Universidad de Toulon en Francia.
Una teoría fuerte
Los componentes de los hadrones, llamados partones, están unidos por la interacción fuerte, una de las cuatro fuerzas fundamentales de la naturaleza, junto con la gravedad, el electromagnetismo y la fuerza débil, que se observa en la desintegración de las partículas.
Carpi explicó que los miembros de la Colaboración HadStruc, como muchos físicos teóricos de todo el mundo, están tratando de determinar dónde y cómo se distribuyen los quarks y gluones dentro de los protones. El grupo utiliza un enfoque matemático conocido como cromodinámica cuántica de red (QCD) para calcular cómo se forman los protones.
Dutrieux, investigador postdoctoral de William & Mary, explicó que el artículo del grupo describe un enfoque tridimensional para comprender la estructura hadrónica a través de una lente QCD. Luego, este método se llevó a cabo mediante cálculos por supercomputadora.
El concepto 3D se basa en el concepto de Distribuciones Parton Generalizadas (GPD). Los GPD ofrecen ventajas teóricas sobre las estructuras visualizadas por las funciones de distribución de partones (PDF) unidimensionales, un enfoque QCD más antiguo.
“Bueno, GPD es muy bueno porque permite aclarar una de las grandes preguntas que tenemos sobre el protón, que es cómo obtiene su giro”, dijo Dutrioux. “Un PDF unidimensional ofrece una imagen muy limitada de lo que es”.
Explicó que el protón consiste en una primera aproximación de dos quarks arriba y un quark abajo, llamado quark de valencia. Los quarks de valencia están mediados por una red variable de gluones creada por la fuerte interacción de fuerzas, que sirve para unir los quarks. Estos gluones, así como los pares de quarks y antiquarks, a menudo descritos como mares de quarks y antiquarks cuando se los distingue de los quarks de valencia, se crean y disuelven constantemente en la fuerza fuerte que se ha formado.
En 1987 se produjo un descubrimiento sorprendente sobre el espín del protón, cuando mediciones experimentales demostraron que el espín de los quarks contribuye con menos de la mitad del espín total del protón. De hecho, gran parte del espín del protón puede surgir del movimiento del partón en forma de espín del gluón y momento angular orbital. Aún es necesario mucho esfuerzo experimental y computacional para aclarar esta situación.
“Los GPD representan una oportunidad prometedora para acceder a este momento angular orbital y proporcionar una explicación sólida de cómo el giro del protón se divide en quarks y gluones”, señaló Dutrieux.
Otro aspecto que la colaboración espera abordar con los GPD es un concepto llamado tensor de energía-momento, añadió.
“El tensor de energía-momento realmente te dice cómo se distribuyen la energía y el impulso dentro de tu protón”, dijo Dutrieux. “Te dicen cómo tu protón también interactúa con la gravedad. Pero ahora mismo, sólo estamos estudiando su distribución de materia”.
Copiar datos
Como se mencionó, acceder a esta información requiere algunos cálculos sofisticados en supercomputadoras. Después de desarrollar su nuevo enfoque, los teóricos prepararon 65.000 simulaciones de la teoría y sus hipótesis para probarla.
Se realizó una gran cantidad de cálculos en las supercomputadoras Frontier y Frontier en el Texas Advanced Computer Center en Oak Ridge Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge. Este número incluía 186 simulaciones de protones moviéndose con diferentes momentos que se realizaron en un contexto de 350 combinaciones de gluones generadas aleatoriamente. Este cálculo requirió que los procesadores de estas instalaciones funcionaran colectivamente millones de horas. El análisis final de estos resultados se completa en pequeñas supercomputadoras en el Laboratorio Jefferson.
El resultado de este trabajo fue una prueba sólida del enfoque 3D desarrollado por los teóricos. La prueba es un resultado importante para la colaboración tópica de tomografía Quark-Gluon (QGT) del DOE.
“Esta fue nuestra prueba de principio. Queríamos saber si los resultados de estas simulaciones parecerían razonables basándose en lo que ya sabemos sobre estas partículas”, dijo Carpi. “Nuestro siguiente paso es mejorar las aproximaciones que utilizamos en estos cálculos. Esto es 100 veces más caro en términos de tiempo de cálculo”, afirmó Carpi.
Nuevos datos en el horizonte
Carpi señaló que la teoría GPD de HadStruc Collaboration ya se está probando en experimentos en instalaciones de alta energía en todo el mundo. En el Jefferson Lab y otras instalaciones se están llevando a cabo dos procesos para sondear la estructura de hadrones utilizando GPD, Deeply Virtual Compton Scattering (DVCS) y Deeply Virtual Meson Production (DVMP).
Carpi y Dutrioux esperan que el trabajo del grupo se base en una serie de experimentos en el Colisionador de Iones y Electrones (EIC), que se está construyendo en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE en Long Island. Jefferson Lab se ha asociado con el Laboratorio Nacional Brookhaven en este proyecto.
Se espera que el EIC sea lo suficientemente potente como para explorar hadrones más allá del punto en el que los instrumentos actuales comienzan a perder señal, pero se explorará la estructura de cómo se recolectan los hadrones. No habrá que esperar a que el EIC entre en funcionamiento.
“Tenemos algunos experimentos nuevos en el Laboratorio Jefferson. Ahora están recopilando datos y brindándonos información para comparar nuestros cálculos”, dijo Carpi. “Y luego esperamos obtener información aún mejor en el EIC. Todo es parte de esa progresión”.
Los miembros de la colaboración HadStruc están buscando aplicaciones experimentales adicionales de su trabajo teórico QCD en el Laboratorio Jefferson y otras instalaciones. Un ejemplo de esto es el uso de supercomputadoras para calcular resultados más precisos a partir de datos que han estado disponibles durante décadas.
Carpi añadió que espera estar unos pasos por delante de los veteranos.
“QCD siempre ha estado detrás de los experimentos. Normalmente lo estábamos. post-dieta en lugar de escribe con anticipación Qué cosas están sucediendo”, dijo Carpi. “Entonces, si ahora realmente podemos avanzar, si podemos hacer algo que los veteranos no pueden hacer todavía, sería fantástico”.
Una parte de este trabajo fue apoyada por el Programa de Investigación y Desarrollo Dirigido por Laboratorio del Laboratorio Jefferson. El programa LDRD dedica una pequeña parte de los esfuerzos de investigación del laboratorio a apoyar iniciativas que están a la vanguardia de la ciencia y la tecnología relevantes para la misión del DOE.
