Net zoals twee vriendelijke buren die samenkomen om te kletsen bij een kopje koffie, ook de minuscule deeltjes in onze subatomaire wereld komen samen om een ​​soort gesprek aan te gaan. Nutsvoorzieningen, nucleaire wetenschappers ontwikkelen hulpmiddelen waarmee ze kunnen luisteren naar de gab-fests van de deeltjes en meer leren over hoe ze aan elkaar blijven plakken om ons zichtbare universum te bouwen.

Jozef Dudek is een stafwetenschapper bij het Jefferson Lab van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en een assistent-professor natuurkunde bij William &Mary. Hij en zijn collega's voerden onlangs de eerste complexe berekeningen uit van een deeltje dat de sigma wordt genoemd. Ze publiceerden het resultaat in Fysieke beoordelingsbrieven in januari.

"Het sigma wordt vaak gezien als onderdeel van de kracht die protonen en neutronen bij elkaar houdt in de kern, Dudek legde uit. "Je kunt denken dat er een kracht is tussen een proton en een neutron, wat te wijten is aan de uitwisseling van deeltjes tussen hen. Een van de deeltjes die een proton en een neutron kunnen uitwisselen, is de sigma."

Door deze uitwisseling van sigmadeeltjes door protonen en neutronen kunnen ze communiceren via de sterke kracht. De sterke kracht is de kracht van de natuur die protonen en neutronen tot kernen bindt. In feite, de sterke kracht is ook verantwoordelijk voor de vorming van protonen en neutronen.

In decennia van diep in het hart van de materie graven om de bouwstenen ervan bloot te leggen, kernfysici hebben tot nu toe ontdekt dat de kleinste stukjes materie quarks zijn. Er zijn drie quarks nodig om een ​​proton te bouwen (en drie om een ​​neutron te bouwen). Deze quarks zijn aan elkaar gebonden door de sterke kracht, opnieuw door een gesprek tussen quarks dat zich manifesteert als de uitwisseling van deeltjes. In dit geval, de quarks verwisselen sterke 'lijm' - deeltjes die gluonen worden genoemd.

Dus, als deeltjes rechtstreeks kunnen converseren via de uitwisseling van sterke gluonen, waar laat dat de sigma? Het blijkt dat als een proton en een neutron heel dicht bij elkaar staan, ze kunnen hun gesprek voeren met een simpele wisseling van gluonen. Maar in een ruime kern, er zijn andere deeltjes voor nodig, inclusief de sigma, efficiënt te converseren.

"Op grotere afstanden het is logisch om na te denken over het uitwisselen van mesonen tussen nucleonen, waar mesonen zijn opgebouwd uit quarks en gluonen zelf, maar een soort van verpakt in kleine pakketjes, ' zei Dudek.

Deze 'beperkte pakketten' kunnen de sigma zijn, dat is een meson opgebouwd uit quarks en gluonen, of een ander meson genaamd de pion, natuurkundigen bekend als een deeltje dat vaak rond de kern hangt.

Om alles op een rijtje te zetten, protonen en neutronen kunnen het oppraten via de uitwisseling van gluonen op korte afstanden, sigma mesonen op middellange afstanden en pionen op grotere afstanden.

Het hart van de materie berekenen

Als dit allemaal nogal ingewikkeld klinkt, dat is omdat het zo is. Dudek en zijn collega's zijn de eersten die het sigmadeeltje rechtstreeks berekenen uit de theorie die de sterke kracht beschrijft, de deeltjes die interageren door deze kracht en de aard van die interacties. Deze theorie wordt kwantumchromodynamica of kortweg QCD genoemd.

In feite, deze berekeningen waren zo ingewikkeld, supercomputers waren nodig om de prestatie te volbrengen.

Volgens Robert Edwards, een senior stafwetenschapper in het Center for Theoretical and Computational Physics van Jefferson Lab, de QCD-berekeningen vereisten de toegewijde inspanning van verschillende supercomputers.

Het eerste deel van de berekeningen werd uitgevoerd op Titan, een supercomputer gebaseerd op de Oak Ridge Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science User Facility in het Oak Ridge National Laboratory van DOE in Tennessee, en de Blue Waters-supercomputer aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign.

Edwards zei dat deze eerste berekeningen werden gebruikt om snapshots te maken van de omgeving van subatomaire deeltjes, of het "vacuüm" van de ruimte beschreven door QCD.

"Het vacuüm is geen lege plaats, het bruist van energie, Edwards legt uit. "En energie manifesteert zich als elektrische en magnetische fluctuaties, die kan worden gezien als de lijm van de sterke kracht. Dus, wat QCD doet, is kijken naar de sterkte van deze velden op elk punt in de ruimte."

Deze snapshots van het fluctuerende vacuüm kunnen worden voorgesteld als het oppervlak van een vijver waarop wordt geregend, met de regendruppels die rimpelingen op de vijver veroorzaken. Elke momentopname van het oppervlak van de vijver komt overeen met een momentopname van het vacuüm. Hij zei dat 485 snapshots werden gegenereerd door de Titan-supercomputer.

Kijken hoe de scenario's zich afspelen

Voor het tweede deel van de berekeningen, quarks zijn toegevoegd aan de snapshot. Terwijl quarks door het vacuüm bewegen, ze reageren op hun omgeving. Hun mogelijke bewegingen, genaamd "vermeerderaars, " werden berekend met behulp van de supercomputers Titan en Blue Waters. Voor elke momentopname van het vacuüm, 800, 000 van dergelijke propagators werden berekend.

Met de propagators op hun plaats, Vervolgens werden verschillende scenario's opgesteld voor hoe specifieke quarks met elkaar zullen interageren terwijl ze zich door de tijd voortplanten. Voor elk scenario is de supercomputer berekent de kans binnen de theorie van QCD dat de quarks waarschijnlijk op die bepaalde manier zullen interageren.

"We moeten een hoeveelheid evalueren die een correlatiefunctie wordt genoemd. De correlatiefunctie zegt dat je een configuratie van quarks hebt, en je kijkt naar de voortplanting terwijl ze door de tijd gaan, Edwards legt uit. "Deze correlatiefunctie meet effectief de correlatie, of zijn kracht, tussen de initiële configuratie van quarks en de uiteindelijke configuratie van quarks."

Als we onze analogie van de regendruppels op de vijver voortzetten, stel je nu voor dat er een badeend aan de vijver is toegevoegd. De berekeningen van de correlatiefunctie bepalen hoe waarschijnlijk het is dat de badeend van het ene naar het andere punt op de vijver drijft.

Elk van de 485 configuraties werd vele malen gesimuleerd om de waarschijnlijkheid van elk scenario te bepalen, wat ongeveer 15 miljoen resultaten oplevert ter vergelijking. De berekeningen zijn uitgevoerd op het LQCD-cluster van Jefferson Lab in het voorjaar en de zomer van 2016.

Sigma komt tot leven

Nadat alle berekeningen waren geteld, de onderzoekers ontdekten dat als de juiste quarks aanwezig zijn, de sigma kan, inderdaad, worden gegenereerd door de sterke kracht.

Na decennia van korte glimpen van het vluchtige bestaan ​​van de sigma uit de experimentele gegevens die de effecten ervan op andere subatomaire deeltjes aantonen, Dudek en Edwards zeggen dat deze berekening wetenschappers nu een nieuwe manier geeft om dit ongrijpbare deeltje te bestuderen.

"Het is echt een eerste stap om te begrijpen wat de sigma is. Bestaat het echt binnen de theorie? Blijkbaar, het doet, ' legde Dudek uit.

De eigenschappen van de sigma in hun berekeningen lijken overeen te komen met wat wetenschappers gewend zijn van de eigenschappen van de echte sigma. Bovendien, nu deze berekeningen hebben aangetoond dat het haalbaar is om supercomputers toe te passen op berekeningen van een ongrijpbaar deeltje zoals de sigma, dit zou wel eens de deur kunnen openen voor berekeningen van andere kortlevende deeltjes.

"We hebben aangetoond dat we kunnen aantonen dat het bestaat binnen QCD. Nu, de vragen zijn:wat is het? Hoe wordt het gevormd? Waarom bestaat dit ding? Is er een manier om het eenvoudig te begrijpen?' zei Dudek. 'Kunnen we die vragen beantwoorden, nu we een rigoureuze techniek hebben om dit object binnen QCD te bestuderen? En dat is iets voor de toekomst."

En door het ongrijpbare sigma te bestuderen, kunnen onderzoekers hun eerste glimp opvangen van dit facet van de sterke kracht die alleen diep in het hart van de materie bestaat. Het kan hen een kans bieden om af te luisteren, als je wil, op de kracht terwijl het bezig is met het opbouwen van ons universum.