Wetenschappers in een onderzoeksgroep onder leiding van Constantia Alexandrou, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Cyprus en het Cyprus Institute, een cruciale stap gezet in de richting van het oplossen van een drie decennia oude puzzel:ze hebben met succes het totale impulsmoment (spin) van het nucleon ontcijferd, bepalen hoe het wordt verdeeld onder zijn kiezers. CSCS-supercomputer Piz Daint zorgde voor de nodige rekenkracht.

Nucleonen - protonen en neutronen - zijn de belangrijkste bestanddelen van atoomkernen. Die deeltjes zijn op hun beurt weer opgebouwd uit nog kleinere elementaire deeltjes die quarks en gluonen worden genoemd. Elk nucleon heeft zijn eigen intrinsieke impulsmoment, of draaien. Het kennen van de spin van elementaire deeltjes is belangrijk voor het begrijpen van fysische en chemische processen. Spin is verantwoordelijk voor de fundamentele eigenschappen van een materiaal, bijvoorbeeld, faseveranderingen in niet-geleidende materialen die ze bij zeer lage temperaturen plotseling in supergeleiders veranderen.

Theoretische modellen gingen er oorspronkelijk van uit dat de spin van het nucleon alleen afkomstig was van de samenstellende quarks. Maar in 1987, hoge-energie-fysica-experimenten uitgevoerd door de Europese Muon-samenwerking veroorzaakten wat bekend werd als de 'protonspin-crisis'. Experimenten uitgevoerd bij CERN, DESY en SLAC toonden aan dat quarks slechts 30 procent van de protonspin bijdragen. Vanaf dat moment, het is onduidelijk welke andere effecten bijdragen aan de spin, en in welke mate. De hoge-energiefysica-studies suggereerden dat quark-antiquark-paren met hun kortstondige tussentoestanden hier een rol zouden kunnen spelen - met andere woorden, puur relativistische kwantumeffecten.

Dertig jaar later, deze mysterieuze effecten zijn eindelijk verklaard in berekeningen die zijn uitgevoerd op de CSCS-supercomputer Piz Daint door een onderzoeksgroep onder leiding van Constantia Alexandrou van de Universiteit van Cyprus in Nicosia; in die groep zaten ook onderzoekers van DESY-Zeuthen, Duitsland, en van de Temple- en Utah-universiteiten, VS. Voor de eerste keer, onderzoekers konden de kwantitatieve bijdragen van samenstellende quarks berekenen, gluonen en zee-quarks - zee-quarks zijn een kortstondige tussentoestand van quark-antiquark-paren in het nucleon - tot nucleon-spin. Met hun berekeningen de groep zette een cruciale stap in de richting van het oplossen van de puzzel die de protonspincrisis veroorzaakte.

Om de spin van de deeltjes te berekenen, de onderzoekers moeten rekening houden met de werkelijke fysieke massa van de quarks. "Een numeriek uitdagende taak, maar van essentieel belang om ervoor te zorgen dat de waarden van de parameters in de simulaties overeenkomen met de werkelijkheid, " zegt Karl Jansen, hoofdwetenschapper bij DESY-Zeuthen en co-auteur van het project. De sterke kracht die hier werkt, die wordt overgedragen door de gluonen, is een van de vier fundamentele krachten van de natuurkunde. De sterke kracht is, inderdaad, sterk genoeg om de verwijdering van een quark uit een proton te voorkomen; deze woning, bekend als opsluiting, resulteert in enorme bindingsenergie die uiteindelijk de nucleonbestanddelen bij elkaar houdt. De onderzoekers gebruikten de massa van de pion, een zogenaamd meson, bestaande uit een up- en een down-antiquark - de "lichte quarks" - om de massa van de up- en down-quarks te fixeren op de fysieke quark-massa die in de simulaties binnenkomt.

Als de uit de simulatie berekende massa van de pion overeenkomt met de experimenteel bepaalde waarde, dan zijn de onderzoekers van mening dat de simulatie is gedaan met de werkelijke fysieke waarden voor de quarkmassa. En dat is precies wat Alexandrou en haar onderzoekers hebben bereikt in hun project, die vandaag in het tijdschrift werd gepubliceerd Fysieke beoordelingsbrieven .

Hun simulaties hielden ook rekening met de valentie-quarks (constituent-quarks), zee-quarks en gluonen. De onderzoekers gebruikten de roostertheorie van de kwantumchromodynamica (rooster QCD) om deze "zee" van deeltjes en hun QCD-interacties te berekenen.

De grootste uitdaging bij de simulaties was het verminderen van statistische fouten bij het berekenen van de "spinbijdragen" van zeequarks en gluonen, zegt Alexandrou. "In aanvulling, een belangrijk deel was om de renormalisatie van deze hoeveelheden uit te voeren." Met andere woorden, ze moesten de dimensieloze waarden die door de simulaties werden bepaald, omzetten in een fysieke waarde die experimenteel kan worden gemeten, zoals de spin die wordt gedragen door het bestanddeel en de zee-quarks en de gluonen die de onderzoekers zochten. Zij zijn de eersten die gluonen in dergelijke berekeningen opnemen, waarvoor miljoenen van de "propagators" moesten worden berekend die beschrijven hoe quarks bewegen tussen twee punten in de ruimte-tijd.

"Het is uitermate belangrijk voor de Europese wetenschap om krachtige supercomputers zoals Piz Daint open en beschikbaar te maken in heel Europa. " merkt Jansen op. "Zo uitgebreide simulaties waren alleen mogelijk dankzij de kracht van Piz Daint, en omdat we onze algoritmen vooraf hebben geoptimaliseerd om optimaal gebruik te maken van de grafische processors van de machine, ", voegde Alexandrou eraan toe.