Uma colaboração de teóricos nucleares nos EUA O Laboratório Nacional Brookhaven do Departamento de Energia (DOE), o Laboratório Nacional Argonne, a Universidade Temple, a Universidade Adam Mickiewicz da Polônia e a Universidade de Bonn, Alemanha, usaram supercomputadores para prever as distribuições espaciais de cargas, momento e outras propriedades de quarks “up ” e “down” dentro de prótons. Os resultados, publicados recentemente na Physical Review D, revelaram diferenças importantes nas características dos quarks up e down.
“Este trabalho é o primeiro a alavancar uma nova abordagem teórica para obter um mapa de alta resolução de quarks dentro de um próton”, disse Swagato Mukherjee, do grupo de teoria nuclear do Brookhaven Lab e coautor do artigo. “Nossos cálculos mostram que o quark up é mais simetricamente distribuído e espalhado por uma distância menor do que o quark down. Essas diferenças implicam que os quarks up e down podem fazer contribuições diferentes para as propriedades e estrutura fundamentais do próton, incluindo sua energia interna e rodar.”
A co-autora Martha Constantinou, da Temple University, observou: “Nossos cálculos fornecem informações para a interpretação de dados de experimentos de física nuclear que exploram como os quarks e os glúons que os mantêm juntos são distribuídos dentro do próton, dando origem às propriedades gerais do próton”.
Tais experimentos já estão ocorrendo no Contínuo Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Versões de maior resolução estão planejadas para o futuro Colisor de Íons Eletrônicos (EIC) no Brookhaven Lab. Nesses experimentos, elétrons de alta energia emitem partículas virtuais de luz que se espalham e mudam o momento geral de um próton sem quebrá-lo.
A maneira como o momento do próton muda em resposta a esses espalhamentos revela detalhes sobre os quarks e glúons – os componentes internos do próton – como uma técnica de imagem de raios X para os blocos de construção da matéria em massa.
Nova abordagem teórica para GPD
Especificamente, os espalhamentos dão aos cientistas acesso à Distribuição Parton Generalizada (GPD) do próton – parton sendo o nome coletivo para quarks e gluons. Se você imaginar o próton como uma sacola cheia de bolinhas representando quarks e glúons, o GPD fornece uma descrição de como a energia-momento e outras características dessas bolinhas são distribuídas dentro da sacola – por exemplo, quando a sacola é sacudida e as bolinhas mover-se.
Pode ser comparado a um mapa que indica a probabilidade de encontrar uma bola de gude com uma energia-momento específica em uma determinada posição dentro da sacola. Conhecer a distribuição dessas características de quarks e glúons permite aos cientistas entender o funcionamento interno do próton, o que pode levar a novas formas de aplicar esse conhecimento.
“Para obter um mapa detalhado, precisamos analisar muitas interações dispersas, envolvendo vários valores de mudança de momento do próton”, disse Shohini Bhattacharya, pesquisador associado do grupo de teoria nuclear de Brookhaven e do RIKEN BNL Research Center (RBRC).
Para simular as múltiplas mudanças de momento do próton de forma eficiente, os pesquisadores tiveram que desenvolver uma nova abordagem teórica, publicada recentemente na Physical Review D.
Anteriormente, os teóricos usavam a ideia de que a mudança no momento do próton era compartilhada igualmente entre o próton antes e depois da dispersão da luz. Essa simplificação forneceu uma representação menos precisa da realidade e também tornou as simulações computacionalmente caras.
“Cada valor de mudança de momento do próton exigia uma simulação separada, aumentando significativamente a carga computacional para obter um mapa detalhado de prótons”, explicou Bhattacharya.
“O novo método pode olhar para o efeito da transferência de momento como sendo tudo no próton de saída – o estado final. Isso dá uma visão mais próxima do processo físico real”, disse ela.
“Mais importante, a nova abordagem teórica torna possível modelar vários valores de transferência de momento em uma única simulação.”
Aproveitando a treliça
Os cálculos que descrevem quarks e suas interações são explicados em uma teoria conhecida como cromodinâmica quântica (QCD). Mas como essas equações têm muitas variáveis, elas são muito difíceis de resolver. Uma técnica conhecida como rede QCD, originalmente desenvolvida no Brookhaven Lab, ajuda a enfrentar o desafio.
Nesse método, os físicos “colocam” os quarks em uma grade de espaço-tempo 4D discretizada – uma espécie de grade 3D onde os quarks estão nos nós que explicam como o arranjo dos quarks muda ao longo do tempo (a quarta dimensão). Os supercomputadores resolvem as equações do QCD executando todas as possíveis interações de cada quark com todos os outros, incluindo como essas interações são afetadas pelas inúmeras variáveis.
“O novo formalismo para modelar as interações de fótons (partículas de luz) com prótons nos possibilitou alavancar o QCD de rede para simular um número muito maior de transferências de momento para obter imagens de resolução mais alta cerca de 10 vezes mais rápido do que os esforços anteriores”, disse co-autor do estudo, Xiang Gao, pesquisador associado do Argonne National Laboratory.
Como as equações de QCD têm variáveis separadas para quarks up e down, o método permite aos cientistas capturar imagens separadas de cada tipo de quark e calcular seus GPDs individuais.
Resultados e implicações
Além de mapear as distribuições de momento de energia dos quarks up e down, a equipe também mapeou suas distribuições de carga dentro dos prótons.
Eles também exploraram o momento dos quarks e as distribuições de carga em prótons polarizados, onde os spins dos prótons estão alinhados em uma direção específica, para investigar como os blocos de construção internos contribuem para o spin do próton. A rotação do próton é uma propriedade usada todos os dias na ressonância magnética (MRI), permitindo que os médicos vejam estruturas dentro de nossos corpos de forma não invasiva. Mas como essa propriedade surge dos blocos de construção internos do próton ainda é um mistério.
“Dentro de um próton polarizado, descobrimos que a distribuição dos momentos dos quarks down é particularmente assimétrica e distorcida em comparação com a dos quarks up”, disse Gao. “Como a distribuição espacial do momento nos fala sobre o momento angular dos quarks dentro de um próton, essas descobertas mostram que as diferentes contribuições dos quarks up e down para o spin do próton surgem de suas diferentes distribuições espaciais”, observou ele.
De acordo com seus cálculos, os cientistas concluíram que os quarks up e down podem representar menos de 70% do giro total do próton. Isso implica que os glúons também devem contribuir significativamente. Como o spin (momento angular) do próton é distribuído entre seus quarks e glúons constituintes fornece pistas sobre a estrutura interna do próton. Isso, por sua vez, ajuda os cientistas a entender as forças que atuam dentro do núcleo atômico.
Descobertas experimentais do Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) do Brookhaven Lab, uma instalação do DOE Office of Science no Brookhaven Lab, apóiam a ideia de uma contribuição significativa do glúon para o spin. Esta é uma das questões centrais que será explorada com grande detalhe no futuro EIC.
As novas previsões teóricas serão usadas para fornecer informações essenciais para comparação com esses experimentos e para ajudar os cientistas a interpretar seus dados, observou Joshua Miller, um co-autor realizando seu doutorado. pesquisa na Temple University sob a supervisão de Constantinou.
“Essas duas coisas complementares – a teoria e o experimento – devem ser combinadas para obter a imagem completa do próton”, disse Miller.
Publicado em 09/08/2023 01h05
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