Het werk werd geleid door Joseph Karpie, een postdoctoraal medewerker bij het Center for Theoretical and Computational Physics (Theory Center) van de Thomas Jefferson National Accelerator Facility van het Amerikaanse ministerie van Energie.

Hij zei dat dit decennia-oude mysterie begon met metingen van de bronnen van de spin van het proton in 1987. Natuurkundigen dachten oorspronkelijk dat de bouwstenen van het proton, de quarks, de belangrijkste bron van de spin van het proton zouden zijn. Maar dat is niet wat ze vonden. Het bleek dat de quarks van het proton slechts ongeveer 30% van de totale gemeten spin van het proton leveren. De rest komt uit twee andere bronnen die tot nu toe moeilijker te meten zijn gebleken.

Eén daarvan is de mysterieuze maar krachtige sterke kracht. De sterke kracht is een van de vier fundamentele krachten in het universum. Het is wat quarks aan elkaar "lijmt" om andere subatomaire deeltjes te vormen, zoals protonen of neutronen. Manifestaties van deze sterke kracht worden gluonen genoemd, waarvan wordt gedacht dat ze bijdragen aan de spin van het proton. Er wordt aangenomen dat het laatste beetje spin het gevolg is van de bewegingen van de quarks en gluonen van het proton.

"Dit artikel is een soort samenkomst van twee groepen in het Theory Center die hebben gewerkt aan het proberen hetzelfde stukje natuurkunde te begrijpen:hoe dragen de gluonen die erin zitten bij aan de mate waarin het proton ronddraait ”, zei hij.

Hij zei dat deze studie was geïnspireerd door een raadselachtig resultaat dat voortkwam uit initiële experimentele metingen van de spin van de gluonen. De metingen zijn uitgevoerd bij de Relativistic Heavy Ion Collider, een gebruikersfaciliteit van het DOE Office of Science in het Brookhaven National Laboratory in New York. De gegevens leken er aanvankelijk op te wijzen dat de gluonen mogelijk bijdragen aan de spin van het proton. Ze lieten een positief resultaat zien.

Maar naarmate de data-analyse werd verbeterd, ontstond er nog een mogelijkheid.

"Toen ze hun analyse verbeterden, kregen ze twee reeksen resultaten die nogal verschillend leken:de ene was positief en de andere negatief", legde Karpie uit.

Hoewel het eerdere positieve resultaat aangaf dat de spins van de gluonen op één lijn liggen met die van het proton, liet de verbeterde analyse de mogelijkheid open dat de spins van de gluonen over het algemeen een negatieve bijdrage leveren. In dat geval zou een groter deel van de protonenspin afkomstig zijn van de beweging van de quarks en gluonen, of van de spin van de quarks zelf.

Dit raadselachtige resultaat werd gepubliceerd door het Jefferson Lab Angular Momentum (JAM) samenwerkingsverband.

Ondertussen had de HadStruc-samenwerking dezelfde metingen op een andere manier aangepakt. Ze gebruikten supercomputers om de onderliggende theorie te berekenen die de interacties tussen quarks en gluonen in het proton beschrijft:Quantum Chromodynamics (QCD).

Om supercomputers uit te rusten om deze intensieve berekeningen uit te voeren, vereenvoudigen theoretici sommige aspecten van de theorie enigszins. Deze enigszins vereenvoudigde versie voor computers wordt rooster QCD genoemd.

Karpie leidde het werk om de gegevens van beide groepen samen te brengen. Hij begon met de gecombineerde gegevens van experimenten in faciliteiten over de hele wereld. Vervolgens voegde hij de resultaten van de rooster-QCD-berekening toe aan zijn analyse.

"Dit brengt alles samen wat we weten over quark- en gluon-spin en hoe gluonen bijdragen aan de spin van het proton in één dimensie", zegt David Richards, een senior stafwetenschapper van Jefferson Lab die aan het onderzoek heeft gewerkt.

"Toen we dat deden, zagen we dat de negatieve dingen niet verdwenen, maar dat ze dramatisch veranderden. Dat betekende dat er iets grappigs mee aan de hand was", zei Karpie.

Karpie is hoofdauteur van het onderzoek dat onlangs is gepubliceerd in Physical Review D . Hij zei dat de belangrijkste conclusie is dat het combineren van de gegevens van beide benaderingen een beter geïnformeerd resultaat opleverde.

"We combineren onze beide datasets samen en krijgen een beter resultaat dan we afzonderlijk zouden kunnen behalen. Het laat echt zien dat we veel meer leren door rooster-QCD te combineren en samen te experimenteren in één probleemanalyse", aldus Karpie. "Dit is de eerste stap, en we hopen dit te blijven doen met steeds meer waarneembare gegevens en we zullen meer roostergegevens maken."

De volgende stap is het verder verbeteren van de datasets. Naarmate krachtigere experimenten meer gedetailleerde informatie over het proton opleveren, beginnen deze gegevens een beeld te schetsen dat verder gaat dan één dimensie. En naarmate theoretici leren hoe ze hun berekeningen op steeds krachtigere supercomputers kunnen verbeteren, worden hun oplossingen ook nauwkeuriger en alomvattender.

Het doel is om uiteindelijk een driedimensionaal begrip van de structuur van het proton te verkrijgen.

"Dus we leren dat onze tools werken in het eenvoudigere eendimensionale scenario. Door onze methoden nu te testen, zullen we hopelijk weten wat we moeten doen als we hogerop willen komen met 3D-structuren", zei Richards. "Dit werk zal bijdragen aan dit 3D-beeld van hoe een proton eruit zou moeten zien. Het gaat er dus allemaal om onze weg naar de kern van het probleem te vinden door dit eenvoudigere werk nu te doen."