Les théoriciens prédisent la distribution différentielle des quarks “up” et “down” dans les protons – et les contributions différentielles aux propriétés du proton –

“Ce travail est le premier à tirer parti d’une nouvelle approche théorique pour obtenir une carte à haute résolution des quarks dans un proton”, a déclaré Swagato Mukherjee du groupe de théorie nucléaire de Brookhaven Lab et co-auteur de l’article. “Nos calculs montrent que le quark up est distribué de manière plus symétrique et réparti sur une distance plus petite que le quark down. Ces différences impliquent que les quarks up et down peuvent apporter des contributions différentes aux propriétés fondamentales et à la structure du proton, y compris son énergie interne et rotation.”

La coauteure Martha Constantinou de l’Université Temple a noté : “Nos calculs fournissent des données pour interpréter les données des expériences de physique nucléaire explorant comment les quarks et les gluons qui les maintiennent ensemble sont distribués dans le proton, donnant lieu aux propriétés globales du proton.”

De telles expériences sont déjà en cours au Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), une installation utilisateur du DOE Office of Science à Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Des versions à plus haute résolution sont prévues pour le futur collisionneur électron-ion (EIC) de Brookhaven Lab. Dans ces expériences, les électrons de haute énergie émettent des particules virtuelles de lumière qui se dispersent et modifient la quantité de mouvement globale d’un proton sans le briser. La façon dont l’impulsion du proton change en réponse à ces diffusions révèle des détails sur les quarks et les gluons – les composants internes du proton – un peu comme une technique d’imagerie par rayons X pour les éléments constitutifs de la matière en vrac.

Nouvelle approche théorique du GPD

Plus précisément, les diffusions donnent aux scientifiques accès à la distribution généralisée des partons (GPD) du proton – parton étant le nom collectif des quarks et des gluons. Si vous imaginez le proton comme un sac rempli de billes représentant des quarks et des gluons, le GPD fournit une description de la façon dont l’énergie-impulsion et d’autres caractéristiques de ces billes sont distribuées dans le sac – par exemple, lorsque le sac est secoué et que le les billes se déplacent. Il peut être comparé à une carte qui indique la probabilité de trouver une bille avec un élan énergétique spécifique à une position particulière à l’intérieur du sac. Connaître la distribution de ces caractéristiques des quarks et des gluons permet aux scientifiques de comprendre le fonctionnement interne du proton, ce qui peut conduire à de nouvelles façons d’appliquer ces connaissances.

“Pour obtenir une carte détaillée, nous devons analyser de nombreuses interactions de diffusion, impliquant diverses valeurs de changement d’impulsion du proton”, a déclaré Shohini Bhattacharya, chercheur associé au groupe de théorie nucléaire de Brookhaven et au RIKEN BNL Research Center (RBRC).

Pour simuler efficacement les multiples changements d’impulsion du proton, les chercheurs ont dû développer une nouvelle approche théorique, publiée récemment dans Examen physique D.

Auparavant, les théoriciens utilisaient l’idée que le changement d’impulsion du proton était partagé également entre le proton avant la diffusion de la lumière et après. Cette simplification a fourni une représentation moins précise de la réalité et a également rendu les simulations coûteuses en calcul.

“Chaque valeur de changement d’impulsion du proton nécessitait une simulation séparée, augmentant considérablement la charge de calcul pour obtenir une carte détaillée du proton”, a expliqué Bhattacharya.

“La nouvelle méthode peut considérer l’effet du transfert de quantité de mouvement comme étant sur le proton sortant – l’état final. Cela donne une vue plus proche du processus physique réel”, a-t-elle déclaré.

“Plus important encore, la nouvelle approche théorique permet de modéliser de nombreuses valeurs de transfert de quantité de mouvement dans une seule simulation.”

Tirer parti du réseau

Les calculs décrivant les quarks et leurs interactions sont énoncés dans une théorie connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD). Mais parce que ces équations ont de nombreuses variables, elles sont très difficiles à résoudre. Une technique connue sous le nom de QCD en réseau, développée à l’origine au Brookhaven Lab, aide à relever le défi.

Dans cette méthode, les physiciens “placent” les quarks sur un réseau d’espace-temps 4D discrétisé – une sorte de grille 3D où les quarks sont aux nœuds qui expliquent comment l’arrangement des quarks change au fil du temps (la quatrième dimension). Les supercalculateurs résolvent les équations de la QCD en parcourant toutes les interactions possibles de chaque quark avec tous les autres, y compris la manière dont ces interactions sont affectées par la myriade de variables.

“Le nouveau formalisme de modélisation des interactions des photons (particules de lumière) avec les protons nous a permis de tirer parti de la QCD du réseau pour simuler un nombre beaucoup plus élevé de transferts d’impulsion afin d’obtenir une imagerie à plus haute résolution environ 10 fois plus rapide que les efforts précédents”, a déclaré co-auteur de l’étude Xiang Gao, chercheur associé au Laboratoire national d’Argonne.

Étant donné que les équations de QCD ont des variables distinctes pour les quarks up et down, la méthode permet aux scientifiques de capturer des images séparées de chaque type de quark et de calculer leurs GPD individuels.

Résultats et implications

En plus de cartographier les distributions énergie-impulsion des quarks up et down, l’équipe a également cartographié leurs distributions de charge dans les protons. Ils ont également exploré l’impulsion des quarks et les distributions de charge dans les protons polarisés, où les spins des protons sont alignés dans une direction particulière, pour étudier comment les éléments constitutifs internes contribuent au spin du proton. Le spin du proton est une propriété utilisée quotidiennement en imagerie par résonance magnétique (IRM), permettant aux médecins de voir de manière non invasive les structures à l’intérieur de notre corps. Mais comment cette propriété découle des éléments constitutifs internes du proton reste un mystère.

“Dans un proton polarisé, nous avons constaté que la distribution de l’impulsion des quarks down est particulièrement asymétrique et déformée par rapport à celle des quarks up”, a déclaré Gao. “Étant donné que la distribution spatiale de l’impulsion nous renseigne sur l’impulsion cinétique des quarks à l’intérieur d’un proton, ces découvertes montrent que les différentes contributions des quarks haut et bas au spin du proton résultent de leurs différentes distributions spatiales”, a-t-il noté.

Selon leurs calculs, les scientifiques ont conclu que les quarks up et down peuvent représenter moins de 70 % du spin total du proton. Cela implique que les gluons doivent également contribuer de manière significative. La répartition du spin (moment angulaire) du proton entre ses quarks et gluons constitutifs fournit des indices sur la structure interne du proton. Ceci, à son tour, aide les scientifiques à comprendre les forces qui agissent dans le noyau atomique.

Les résultats expérimentaux du collisionneur d’ions lourds relativistes (RHIC) de Brookhaven Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science à Brookhaven Lab, soutiennent l’idée d’une contribution significative des gluons au spin. C’est l’une des questions centrales qui sera explorée en détail lors du futur EIC.

Les nouvelles prédictions théoriques seront utilisées pour fournir des informations essentielles pour la comparaison avec ces expériences et pour aider les scientifiques à interpréter leurs données, a noté Joshua Miller, co-auteur effectuant son doctorat. recherche à l’Université du Temple sous la direction de Constantinou.

“Ces deux choses complémentaires – la théorie et l’expérience – doivent être combinées pour obtenir l’image complète du proton”, a déclaré Miller.

Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science (NP) et la National Science Foundation. Les calculs pour ce travail ont été effectués en partie sur les installations de la collaboration USQCD et de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility – une installation utilisateur du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory. Des financements et des ressources informatiques supplémentaires sont répertoriés dans l’article scientifique.