这张图说明了一个质子以接近光速的速度向观察者移动，它的自旋沿着水平方向排列(大箭头)。底部同心圆的两个视图显示了质子内上夸克(左)和下夸克(右)动量的空间分布(白色为高;紫色是低的)。来源:布鲁克海文国家实验室
核理论家开发了质子内夸克分布的高分辨率地图，利用先进的计算方法区分了质子性质中上下夸克的作用模型部分。
美国能源部(DOE)布鲁克海文国家实验室、阿贡国家实验室、天普大学、波兰亚当·米奇维茨大学和德国波恩大学的核理论家合作，利用超级计算机预测了质子内“上”和“下”夸克的电荷、动量和其他性质的空间分布。研究结果发表在《物理评论D》杂志上，揭示了上下夸克特征的关键差异。
布鲁克海文实验室核理论小组的Swagato Mukherjee说:“这项工作是第一次利用一种新的理论方法来获得质子内夸克的高分辨率地图。”“我们的计算表明，上夸克比下夸克分布更对称，传播的距离更小。这些差异意味着上下夸克可能对质子的基本性质和结构做出不同的贡献，包括它的内能和自旋。”
坦普尔大学的合著者玛莎·康斯坦丁努指出:“我们的计算为解释核物理实验的数据提供了输入，这些实验探索了夸克和将它们结合在一起的胶子如何在质子内分布，从而产生了质子的整体特性。”
这样的实验已经在连续电子束加速器设施(CEBAF)中进行，这是美国能源部科学办公室在托马斯杰斐逊国家加速器设施中的一个用户设施。更高分辨率的版本计划用于布鲁克海文实验室未来的电子-离子对撞机(EIC)。在这些实验中，高能电子发射出虚拟的光粒子，这些光粒子散射并改变质子的总动量，而不会使质子分裂。质子的动量随这些散射而变化的方式揭示了夸克和胶子的细节——质子的内部成分——有点像x射线成像技术对大块物质的组成部分。
GPD的新理论途径
具体来说，这种散射使科学家能够接触到质子-部分子(夸克和胶子的统称)的广义部分子分布(GPD)。如果你把质子想象成一个装满了代表夸克和胶子的弹珠的袋子，GPD描述了这些弹珠的能量动量和其他特征是如何在袋子里分布的——例如，当袋子被震动时，弹珠四处移动。它可以与地图相比较，地图显示在袋子内的特定位置找到具有特定能量动量的弹珠的可能性。了解这些夸克和胶子特性的分布，可以让科学家了解质子的内部工作原理，这可能会导致应用这些知识的新方法。
“为了获得详细的地图，我们需要分析许多散射相互作用，涉及质子的各种动量变化值，”布鲁克海文核理论小组和RIKEN BNL研究中心(RBRC)的研究助理Shohini Bhattacharya说。
Shohini Bhattacharya是布鲁克海文实验室核理论小组和RIKEN BNL研究中心(RBRC)的物理学家，他帮助开发了一种新的形式，可以获得质子内夸克和胶子的分布。该小组使用这种方法来预测质子内“上”和“下”夸克的电荷、动量和其他性质的空间分布。来源:布鲁克海文国家实验室
为了有效地模拟质子的多重动量变化，研究人员必须开发一种新的理论方法，该方法最近发表在《物理评论D》上。
以前，理论学家使用的观点是，质子的动量变化在光散射之前和之后被质子平均分享。这种简化提供了一个不太准确的现实表示，也使模拟计算昂贵。
“质子的每个动量变化值都需要单独的模拟，这大大增加了获得详细质子图的计算负担，”Bhattacharya解释说。
“新方法可以观察动量转移的影响，因为所有的动量转移都是对出射质子的最终状态的影响。这提供了一个更接近实际物理过程的观点，”她说。
最重要的是，新的理论方法使得在一次模拟中模拟多个动量传递值成为可能。”
利用格子
描述夸克及其相互作用的计算在一种被称为量子色动力学(QCD)的理论中得到了详细阐述。但是因为这些方程有很多变量，所以很难解。最初由布鲁克海文实验室开发的晶格QCD技术有助于解决这一挑战。
在这种方法中，物理学家将夸克“放置”在离散的四维时空晶格上——一种三维网格，夸克位于节点上，说明了夸克的排列如何随时间变化(四维)。超级计算机通过运行每个夸克与所有其他夸克之间所有可能的相互作用，包括这些相互作用如何受到无数变量的影响，来解决QCD方程。
该研究的合著者、阿贡国家实验室的研究助理Xiang Gao说:“用于模拟光子(光粒子)与质子相互作用的新形式，使我们有可能利用晶格QCD来模拟更多的动量转移，以实现比以前的努力快10倍左右的更高分辨率成像。”
由于QCD方程对上下夸克有单独的变量，因此该方法可以让科学家捕获每种夸克类型的单独图像，并计算它们各自的gpd。
结果及影响
除了绘制出上下夸克的能量动量分布之外，研究小组还绘制出了它们在质子内的电荷分布。他们还探索了夸克在极化质子中的动量和电荷分布，在极化质子中，质子的自旋在一个特定的方向上排列，以研究内部构件如何对质子的自旋做出贡献。质子自旋是磁共振成像(MRI)中每天使用的一种特性，它使医生能够无创地看到我们身体内部的结构。但是这种性质是如何从质子的内部构造中产生的仍然是一个谜。
高说:“在极化质子中，我们发现下夸克的动量分布与上夸克相比特别不对称和扭曲。”“由于动量的空间分布告诉我们质子内部夸克的角动量，这些发现表明，上夸克和下夸克对质子自旋的不同贡献源于它们不同的空间分布，”他指出。
根据他们的计算，科学家们得出结论，上下夸克只能占质子总自旋的不到70%。这意味着胶子也一定起着重要的作用。质子的自旋(角动量)如何在其组成夸克和胶子之间分布，为质子的内部结构提供了线索。这反过来又有助于科学家理解原子核内部的作用力。
布鲁克海文实验室的相对论重离子对撞机(RHIC)是布鲁克海文实验室的一个美国能源部科学办公室用户设施，实验结果支持胶子对自旋的重要贡献的观点。这是未来EIC将详细探讨的核心问题之一。
新的理论预测将用于提供与那些实验比较的基本信息，并帮助科学家解释他们的数据，约书亚·米勒(Joshua Miller)指出，他是在康斯坦丁努的监督下在天普大学进行博士研究的合著者。
“这两个互补的东西——理论和实验——必须结合起来才能得到质子的完整图像，”米勒说。
引用:
“非局域夸克双线性粒子到NNLO的质子GPDs的矩”，由Shohini Bhattacharya, krzysztoof Cichy, Martha Constantinou, Gao Xiang, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Fernanda Steffens, 2023年7月17日，物理评论D. DOI: 10.1103/PhysRevD.108.014507
“具有非对称动量转移的晶格QCD的广义部分子分布:非极化夸克”，由Shohini Bhattacharya, krzysztoof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Gao Xiang, Andreas Metz, Swagato Mukherjee, Aurora Scapellato, Fernanda Steffens和赵勇，2022年12月26日，物理评论D. DOI: 10.1103/PhysRevD.106.114512
这项工作得到了美国能源部科学办公室(NP)和国家科学基金会的支持。这项工作的部分计算是在USQCD协作设施和橡树岭领导计算设施(橡树岭国家实验室的美国能源部科学办公室用户设施)上进行的。科学论文中列出了额外的资金和计算资源。
