在我们所认为的固体物质的深处，风景绝不是静止的。原子核的组成部分——一种叫做强子的粒子，高中生会认出它是质子和中子——的内部是由相互作用的夸克和胶子的沸腾混合物组成的，这些夸克和胶子统称为部分子。
一组物理学家现在聚集在一起，绘制出这些部分，并解开它们如何相互作用形成强子的谜团。这些核物理学家在美国能源部的托马斯·杰斐逊国家加速器设施，也被称为哈德斯特鲁奇合作项目，一直致力于用数学方法描述粒子之间的相互作用。他们的最新发现最近发表在《高能物理杂志》上。
“哈德斯特鲁奇合作是一个基于杰斐逊实验室理论中心和附近一些大学的小组，”哈德斯特鲁奇成员约瑟夫·卡皮说，他是杰斐逊实验室理论与计算物理中心的博士后研究员。“我们在威廉玛丽大学和老道明大学也有一些人。”
该论文的其他共同作者是杰斐逊实验室的科学家罗伯特·爱德华兹、科林·埃格尔、埃洛伊·罗梅罗和大卫·理查兹。威廉玛丽物理系由herv
强有力的理论
强子的组成部分被称为部子，它们通过强相互作用结合在一起。强相互作用是自然界的四种基本力之一，另外三种是引力、电磁力和弱相互作用，在粒子衰变中可以观察到。
Karpie解释说，HadStruc合作的成员，像世界上许多理论物理学家一样，正试图确定夸克和胶子在质子内的分布位置和方式。该小组使用一种被称为晶格量子色动力学(QCD)的数学方法来计算质子是如何构造的。
William & Mary的博士后研究员Dutrieux解释说，该小组的论文概述了一种通过QCD透镜理解强子结构的三维方法。这种方法随后通过超级计算机进行了计算。
三维概念是基于广义部子分布(gpd)的概念。相对于通过一维部分分布函数(pdf)(一种较老的QCD方法)可视化的结构，gpd在理论上具有优势。
迪特里厄说:“从某种意义上说，GPD要好得多，它允许你阐明我们关于质子的一个大问题，即它的自旋是如何产生的。”“一维PDF给你的是非常非常有限的图像。”
“能量动量张量实际上告诉你能量和动量是如何在质子内部分布的，”迪特里厄说。“它们还会告诉你质子是如何与重力相互作用的。但现在，我们只是在研究它的物质分布。”
模拟数据
如前所述，访问这些信息需要在超级计算机上进行一些复杂的计算。在发展了他们的新方法之后，理论学家们对该理论及其假设进行了65000次模拟来验证它。
这些大量的计算是在德克萨斯高级计算机中心的Frontera和橡树岭领导计算设施的Frontier超级计算机上完成的，橡树岭国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施。这个数字包括在350个随机生成的胶子集合的背景下，以不同动量进行的186个质子模拟。这种计算需要这些设施的处理器共同运行数百万小时。这些结果的最终分析是在杰斐逊实验室的小型超级计算机上完成的。
这项工作的结果是对理论家们开发的3D方法进行了有力的测试。该测试是美国能源部夸克-胶子断层扫描(QGT)局部协作的重要里程碑结果。
“这是我们的原理证明。我们想知道，基于我们对这些粒子的了解，这些模拟的结果是否合理。”“我们的下一步是改进我们在这些计算中使用的近似。就计算时间而言，这是计算成本的100倍。”
新数据即将出炉
Karpie指出，HadStruc合作的GPD理论已经在世界各地的高能设施的实验中得到检验。通过GPDs检测强子结构的两个过程，深度虚拟康普顿散射(DVCS)和深度虚拟介子产生(DVMP)，正在杰斐逊实验室和其他设施进行。
Karpie和Dutrieux希望这个小组的工作能在电子离子对撞机(EIC)上进行实验，EIC是一个粒子加速器，正在美国能源部位于长岛的布鲁克海文国家实验室建造。杰斐逊实验室与布鲁克海文国家实验室在这个项目上合作。
预计EIC将足够强大，可以探测到超过目前仪器开始失去信号的强子，但是对强子如何组装的结构的探索不会等到EIC上线。
“我们在杰斐逊实验室进行了一些新的实验。他们现在正在收集数据，给我们提供信息，以便与我们的计算进行比较。”“然后我们希望能够在EIC建立并获得更好的信息。这都是这个进步链的一部分。”
HadStruc协作项目的成员们正期待着在杰弗逊实验室和其他设施中对他们的QCD理论工作进行更多的实验应用。这方面的一个例子是使用超级计算机对已经掌握了几十年的数据进行更精确的计算。
Karpie补充说，他希望能比实验人员领先几步。
“QCD一直落后于实验。我们通常是‘事后判断’，而不是‘预测’正在发生的事情，”卡皮说。“所以，现在如果我们真的能取得进展，如果我们能做一些实验者还做不到的事情，那就太酷了。”
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