Nowe ramy teoretyczne umożliwiają obliczenie ruchu kwarków w trzech wymiarach. Szczególnie interesujący okazuje się ruch poprzeczny, zachodzący prostopadle do kierunku lotu protonu i wokół jego osi spinu. Wcześniejsze metody radziły sobie z tym zadaniem znacznie gorzej, zwłaszcza przy niewielkich pędach kwarków.
Czytaj też: Pierwsza taka obserwacja. Uchwycono cztery kwarki jednocześnie
Kluczową rolę w tych badaniach odegrała siatkowa chromodynamika kwantowa, zaawansowana metoda obliczeniowa wykorzystująca moc superkomputerów. Naukowcy zastosowali ją do wyliczenia jądra Collinsa-Sopera – matematycznej wielkości opisującej zmiany w rozkładzie pędu poprzecznego kwarków w zależności od energii zderzeń cząstek. Po raz pierwszy udało się uzyskać tak precyzyjne wyniki dla tego parametru.
Kwarki nie poruszają się w protonach przypadkowo
Nowe podejście znacząco uprościło obliczenia w porównaniu z dotychczasowymi metodami. Dzięki temu możliwe stało się dokładne opisanie zachowania kwarków nawet przy bardzo małym ruchu poprzecznym, gdzie oddziaływania między kwarkami a gluonami osiągają szczególnie wysoką złożoność. Konwencjonalne techniki siatkowej chromodynamiki kwantowej nie radziły sobie w tym obszarze.
Czytaj też: Fizycy zaskoczeni! Tutaj plazma kwarkowo-gluonowa miała nie istnieć
Równie istotne jest to, że nowe obliczenia wykazują znacznie większą dokładność niż wszystko, co udało się osiągnąć wcześniej. Niepewności pomiarowe zostały drastycznie zmniejszone, a co najważniejsze – wyniki idealnie zgadzają się z danymi eksperymentalnymi z akceleratorów cząstek. To mocny argument przemawiający za tym, że teoria nie jest jedynie matematyczną abstrakcją, ale rzeczywiście opisuje procesy zachodzące w rzeczywistości.
Co ciekawe, nowa metoda eliminuje konieczność polegania na skomplikowanych modelach opisujących oddziaływania silne – fundamentalne oddziaływanie wiążące kwarki i gluony w protony. Wcześniej fizycy musieli konstruować złożone modele teoretyczne, aby wypełnić luki w wiedzy. Teraz mogą obliczać potrzebne wielkości bezpośrednio z pierwszych zasad.
Osiągnięcia te mają doniosłe znaczenie dla przyszłych badań. Nadchodzący Zderzacz Elektronowo-Jonowy (EIC), planowany do budowy w Stanach Zjednoczonych, będzie badał między innymi pochodzenie spinu protonu – jedną z najbardziej intrygujących zagadek współczesnej fizyki. Nowe przewidywania teoretyczne posłużą do interpretacji danych zarówno z EIC, jak i z eksperymentów prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Zrozumienie trójwymiarowego ruchu kwarków i gluonów wewnątrz protonu stanowi klucz do wyjaśnienia źródła jego spinu. To pytanie nurtuje fizyków od dziesięcioleci, a odpowiedź może fundamentalnie zmienić nasze rozumienie struktury materii. Badania były finansowane przez Departament Energii USA w ramach programu SciDAC i innych inicjatyw wspierających fizykę jądrową.
Nowe odkrycie wpisuje się w szerszy kontekst rozumienia relacji między masą a energią. Równanie Einsteina E=mc2 pokazało, że masa i energia to dwie strony tego samego medalu. Mechanizm Higgsa, potwierdzony odkryciem bozonu Higgsa w 2012 r., wyjaśnia, jak cząstki elementarne nabywają masę poprzez oddziaływanie z polem Higgsa. Trzeba jednak pamiętać, że mechanizm Higgsa odpowiada jedynie za około 1 proc. masy protonu – tyle wynoszą masy trzech tworzących go kwarków. Pozostałe 99 proc. pochodzi z energii bezmasowych gluonów, które nieustannie wymieniają się między kwarkami, wiążąc je w zwartą strukturę. To właśnie energia tych oddziaływań, zgodnie z równaniem Einsteina, objawia się jako masa.