Wetenschappers hebben een baanbrekende theorie ontwikkeld om te berekenen wat er gebeurt in een proton dat met de snelheid van het licht reist.

Voor meer dan 2, 000 jaar, wetenschappers dachten dat het atoom het kleinst mogelijke deeltje was. Vervolgens, ze ontdekten dat het een kern heeft die bestaat uit protonen en neutronen omringd door elektronen. Daarna, ze ontdekten dat de protonen en neutronen zelf een complexe innerlijke wereld hebben vol quarks en antiquarks die bij elkaar worden gehouden door een superlijmachtige kracht gecreëerd door gluonen.

"Protonen vormen samen met neutronen meer dan 99 procent van het zichtbare heelal, alles betekent, van sterrenstelsels en sterren tot ons, " zei Yong Zhao, een fysicus bij het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). "Nog, er is nog veel dat we niet weten over het rijke innerlijke leven van protonen of neutronen."

Zhao is co-auteur van een paper over een innovatieve methode voor het berekenen van de quark- en gluonstructuur van een proton dat met de snelheid van het licht reist. De naam van de creatie van het team is een effectieve theorie met een groot momentum, LaMET in het kort, die samenwerkt met een theorie die roosterkwantumchromodynamica (QCD) wordt genoemd.

Het proton is klein - ongeveer 100, 000 keer kleiner dan een atoom, dus natuurkundigen modelleren het vaak als een punt zonder dimensies. Maar deze nieuwe theorieën kunnen voorspellen wat er gebeurt binnen het snelheids-van-licht proton alsof het een lichaam van drie dimensies is.

Het concept van momentum is van vitaal belang voor niet alleen LaMET, maar ook voor natuurkunde in het algemeen. Het is gelijk aan de snelheid van een object maal zijn massa.

Meer dan een halve eeuw geleden, Zhao legde uit, een eenvoudig quarkmodel van natuurkundigen Murray Gell-Mann en George Zweig onthulde een deel van de binnenstructuur van het proton in rust (geen momentum). Van dat model wetenschappers stelden zich het proton voor als bestaande uit drie quarks en voorspelden hun essentiële eigenschappen, zoals elektrische lading en spin.

Latere experimenten met protonen die versneld werden tot dicht bij de lichtsnelheid toonden aan dat het proton nog complexer is dan aanvankelijk werd gedacht. Bijvoorbeeld, het bevat ontelbare deeltjes die met elkaar interageren - niet alleen drie quarks gebonden door gluonen. En de gluonen kunnen even in quark-antiquark-paren veranderen voordat ze elkaar vernietigen en weer een gluon worden. Deeltjesversnellers zoals die bij DOE's Fermi National Accelerator Laboratory produceerden de meeste van deze resultaten.

"Als je het proton versnelt en tegen een doel botst, dat is wanneer de magie plaatsvindt in termen van het onthullen van de vele mysteries, ' zei Zhao.

Ongeveer vijf jaar nadat het eenvoudige quarkmodel de natuurkundegemeenschap op zijn grondvesten deed schudden, een model voorgesteld door Richard Feynman stelde het proton voor dat zich met bijna de lichtsnelheid voortbeweegt als een straal die een oneindig aantal quarks en gluonen draagt ​​die in dezelfde richting bewegen. Hij noemde deze deeltjes 'partons'. Zijn partonmodel heeft natuurkundigen geïnspireerd om een ​​reeks grootheden te definiëren die de 3D-protonstructuur beschrijven. Onderzoekers zouden deze hoeveelheden vervolgens kunnen meten in experimenten bij deeltjesversnellers.

Eerdere berekeningen met de destijds best beschikbare theorie (rooster QCD) leverden enkele verhelderende details op over de verdeling van quarks en gluonen in het proton. Maar ze hadden een ernstige tekortkoming:ze konden geen nauwkeurig onderscheid maken tussen snel en langzaam bewegende delen.

De moeilijkheid was dat rooster QCD alleen de eigenschappen van het proton kon berekenen die niet afhankelijk zijn van zijn momentum. Maar het toepassen van Feynman's partonmodel op rooster QCD vereist kennis van de eigenschappen van een proton met oneindige impuls, wat betekent dat de protondeeltjes allemaal met de snelheid van het licht moeten reizen. Om die kennisleemte gedeeltelijk op te vullen, LaMET biedt een recept voor het berekenen van de partonfysica uit rooster QCD voor een groot maar eindig momentum.

"We hebben LaMET de afgelopen acht jaar ontwikkeld en verfijnd, "zei Zhao. "Ons artikel vat dit werk samen."

Draait op supercomputers, rooster QCD-berekeningen met LaMET genereren nieuwe en verbeterde voorspellingen over de structuur van het lichtsnelheidsproton. Deze voorspellingen kunnen vervolgens worden getest in een nieuwe, unieke faciliteit genaamd de Electron-Ion Collider (EIC). Deze faciliteit wordt gebouwd in het Brookhaven National Laboratory van DOE.

"Onze LaMET kan ook nuttige informatie voorspellen over hoeveelheden die buitengewoon moeilijk te meten zijn, "zei Zhao. "En met supercomputers die krachtig genoeg zijn, in sommige gevallen, onze voorspellingen zouden zelfs nauwkeuriger kunnen zijn dan mogelijk is om te meten bij de EIC."

Met een dieper begrip van de 3D-quark-gluonstructuur van materie met behulp van theorie en EIC-metingen, wetenschappers staan ​​klaar om een ​​veel gedetailleerder beeld van het proton te krijgen. We gaan dan een nieuw tijdperk van partonfysica binnen.

Dit onderzoek is gepubliceerd in Beoordelingen van Moderne Natuurkunde in een artikel met de titel "Large-Momentum Effective Theory." Naast Zhao, auteurs zijn onder meer Xiangdong Ji (Universiteit van Maryland), Yizhuang Liu (Jagiellonische Universiteit), Yu-Sheng Liu (Shanghai Jiao Tong University) en Jian-Hui Zhang (Beijing Normal University).