Grafik ini mengilustrasikan sebuah proton bergerak hampir dengan kecepatan cahaya menuju pengamat dengan putarannya sejajar dengan arah horizontal (panah besar). Dua tampilan lingkaran konsentris di bawah menunjukkan distribusi spasial momentum quark atas (kiri) dan quark bawah (kanan) dalam proton ini (putih berarti tinggi; ungu rendah). Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven
Para ahli teori nuklir mengembangkan peta distribusi quark dalam proton beresolusi tinggi, membedakan peran quark atas dan bawah dalam sifat proton menggunakan model komputasi tingkat lanjut.
Kolaborasi para ahli teori nuklir di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS (DOE), Laboratorium Nasional Argonne, Universitas Temple, Universitas Adam Mickiewicz Polandia, dan Universitas Bonn, Jerman, telah menggunakan superkomputer untuk memprediksi distribusi muatan secara spasial. momentum, dan sifat-sifat kuark “atas” dan “bawah” lainnya dalam proton. Hasilnya, dipublikasikan di jurnal Tinjauan Fisik Dmengungkapkan perbedaan utama dalam karakteristik quark atas dan bawah.
“Pekerjaan ini adalah yang pertama memanfaatkan pendekatan teoretis baru untuk mendapatkan peta kuark beresolusi tinggi di dalam proton,” kata Swagato Mukherjee dari kelompok teori nuklir Brookhaven Lab dan salah satu penulis makalah tersebut. “Perhitungan kami menunjukkan bahwa quark atas terdistribusi lebih simetris dan tersebar pada jarak yang lebih kecil dibandingkan quark bawah. Perbedaan ini menyiratkan bahwa quark atas dan bawah dapat memberikan kontribusi yang berbeda terhadap sifat dasar dan struktur proton, termasuk energi internal dan putarannya.”
Rekan penulis Martha Constantinou dari Temple University mencatat, “Perhitungan kami memberikan masukan untuk menafsirkan data dari eksperimen fisika nuklir yang mengeksplorasi bagaimana quark dan gluon yang menyatukan mereka didistribusikan di dalam proton, sehingga menimbulkan sifat keseluruhan proton.”
Eksperimen semacam itu sudah berlangsung di Continuous Electron Beam Accelerator Facility (CEBAF), fasilitas pengguna DOE Office of Science di Thomas Jefferson National Accelerator Facility. Versi resolusi lebih tinggi direncanakan untuk Electron-Ion Collider (EIC) masa depan di Brookhaven Lab. Dalam percobaan ini, elektron berenergi tinggi memancarkan partikel cahaya virtual yang berhamburan dan mengubah momentum keseluruhan proton tanpa memecahnya. Cara momentum proton berubah sebagai respons terhadap hamburan ini mengungkapkan rincian tentang quark dan gluon—komponen dalam proton—seperti teknik pencitraan sinar-x untuk bahan penyusun materi massal.
Pendekatan Teoritis Baru terhadap GPD
Secara khusus, hamburan ini memberi para ilmuwan akses ke Distribusi Parton Umum (GPD) proton—parton adalah nama kolektif untuk quark dan gluon. Jika Anda membayangkan proton sebagai kantong berisi kelereng yang mewakili quark dan gluon, GPD memberikan deskripsi tentang bagaimana energi-momentum dan karakteristik lain dari kelereng tersebut didistribusikan di dalam kantong tersebut—misalnya, ketika kantong diguncang dan kelereng tersebut terdistribusi. bergerak di sekitar. Hal ini dapat dibandingkan dengan peta yang menunjukkan kemungkinan ditemukannya kelereng dengan momentum energi tertentu pada posisi tertentu di dalam kantong. Mengetahui distribusi karakteristik kuark dan gluon ini memungkinkan para ilmuwan memahami cara kerja proton, yang mungkin mengarah pada cara-cara baru untuk menerapkan pengetahuan tersebut.
“Untuk mendapatkan peta rinci, kita perlu menganalisis banyak interaksi hamburan, yang melibatkan berbagai nilai perubahan momentum proton,” kata Shohini Bhattacharya, peneliti di kelompok teori nuklir Brookhaven dan RIKEN BNL Research Center (RBRC).
Shohini Bhattacharya, fisikawan di kelompok teori nuklir Brookhaven Lab dan RIKEN BNL Research Center (RBRC), membantu mengembangkan formalisme baru yang memberikan akses terhadap distribusi quark dan gluon dalam proton. Kelompok tersebut menggunakan pendekatan ini untuk memprediksi distribusi spasial muatan, momentum, dan sifat-sifat lain dari kuark “atas” dan “bawah” dalam proton. Kredit: Laboratorium Nasional Brookhaven
Untuk mensimulasikan berbagai perubahan momentum proton secara efisien, para peneliti harus mengembangkan pendekatan teoretis baru, yang diterbitkan baru-baru ini di Tinjauan Fisik D.
Sebelumnya, para ahli teori menggunakan gagasan bahwa perubahan momentum proton dibagi rata antara proton sebelum cahaya dihamburkan dan setelahnya. Penyederhanaan ini memberikan representasi realitas yang kurang akurat dan juga membuat simulasi menjadi mahal secara komputasi.
“Setiap nilai perubahan momentum proton memerlukan simulasi terpisah, sehingga meningkatkan beban komputasi secara signifikan untuk mendapatkan peta proton yang detail,” jelas Bhattacharya.
“Metode baru ini dapat melihat efek transfer momentum karena semuanya terjadi pada proton yang keluar—keadaan akhir. Ini memberikan gambaran yang lebih mendekati proses fisik sebenarnya,” ujarnya.
“Yang paling penting, pendekatan teoretis baru ini memungkinkan pemodelan sejumlah nilai transfer momentum dalam satu simulasi.”
Memanfaatkan Kisi
Perhitungan yang menggambarkan quark dan interaksinya dijabarkan dalam teori yang dikenal sebagai kromodinamika kuantum (QCD). Namun karena persamaan ini memiliki banyak variabel, maka persamaan tersebut sangat sulit diselesaikan. Sebuah teknik yang dikenal sebagai kisi QCD, awalnya dikembangkan di Brookhaven Lab, membantu mengatasi tantangan tersebut.
Dalam metode ini, fisikawan “menempatkan” quark pada kisi ruang-waktu 4D yang terdiskritisasi—semacam grid 3D di mana quark berada pada titik-titik simpul yang menjelaskan bagaimana susunan quark berubah seiring waktu (dimensi keempat). Superkomputer menyelesaikan persamaan QCD dengan menelusuri semua kemungkinan interaksi setiap quark dengan quark lainnya, termasuk bagaimana interaksi tersebut dipengaruhi oleh berbagai variabel.
“Formalisme baru untuk memodelkan interaksi foton (partikel cahaya) dengan proton memungkinkan kita memanfaatkan kisi QCD untuk mensimulasikan jumlah transfer momentum yang jauh lebih tinggi guna mencapai pencitraan resolusi lebih tinggi sekitar 10 kali lebih cepat dibandingkan upaya sebelumnya,” kata rekan penulis studi Xiang Gao, rekan peneliti di Argonne National Laboratory.
Karena persamaan QCD memiliki variabel terpisah untuk quark atas dan bawah, metode ini memungkinkan para ilmuwan menangkap gambar terpisah dari setiap jenis quark dan menghitung GPD masing-masing.
Hasil dan Implikasi
Selain memetakan distribusi energi-momentum kuark atas dan bawah, tim juga memetakan distribusi muatannya dalam proton. Mereka juga mengeksplorasi momentum quark dan distribusi muatan dalam proton terpolarisasi, di mana putaran proton sejajar dalam arah tertentu, untuk menyelidiki bagaimana blok penyusun bagian dalam berkontribusi terhadap putaran proton. Putaran proton adalah properti yang digunakan setiap hari dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI), yang memungkinkan dokter melihat struktur di dalam tubuh kita secara non-invasif. Namun bagaimana sifat ini muncul dari bahan penyusun internal proton masih menjadi misteri.
“Dalam proton yang terpolarisasi, kami menemukan bahwa distribusi momentum quark bawah sangat asimetris dan terdistorsi dibandingkan dengan distribusi momentum quark atas,” kata Gao. “Karena distribusi momentum spasial memberi tahu kita tentang momentum sudut kuark di dalam proton, temuan ini menunjukkan bahwa perbedaan kontribusi kuark atas dan bawah terhadap putaran proton muncul dari distribusi spasialnya yang berbeda,” katanya.
Berdasarkan perhitungan mereka, para ilmuwan menyimpulkan bahwa quark atas dan bawah menyumbang kurang dari 70% total putaran proton. Artinya, gluon juga harus memberikan kontribusi yang signifikan. Bagaimana putaran (momentum sudut) proton didistribusikan di antara quark dan gluon penyusunnya memberikan petunjuk tentang struktur internal proton. Hal ini, pada gilirannya, membantu para ilmuwan memahami gaya-gaya yang bekerja di dalam inti atom.
Temuan eksperimental dari Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) milik Brookhaven Lab, sebuah fasilitas pengguna DOE Office of Science di Brookhaven Lab, mendukung gagasan tentang kontribusi gluon yang signifikan terhadap putaran. Ini adalah salah satu pertanyaan sentral yang akan dikaji secara mendetail di EIC mendatang.
Prediksi teoretis baru ini akan digunakan untuk memberikan informasi penting untuk dibandingkan dengan eksperimen tersebut, dan untuk membantu para ilmuwan menafsirkan data mereka, kata Joshua Miller, salah satu penulis yang sedang menyelesaikan gelar Ph.D. penelitian di Temple University di bawah pengawasan Constantinou.
“Dua hal yang saling melengkapi ini—teori dan eksperimen—harus digabungkan untuk mendapatkan gambaran lengkap tentang proton,” kata Miller.
Referensi:
“Momen GPD proton dari OPE bilinear quark nonlokal hingga NNLO” oleh Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Xiang Gao, Andreas Metz, Joshua Miller, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Fernanda Steffens dan Yong Zhao, 1999. Tinjauan Fisik D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.108.014507
“Distribusi parton umum dari QCD kisi dengan transfer momentum asimetris: quark tak terpolarisasi” oleh Shohini Bhattacharya, Krzysztof Cichy, Martha Constantinou, Jack Dodson, Xiang Gao, Andreas Metz, Swagato Mukherjee, Aurora Scapellato, Fernanda Steffens dan Yong Zhao, 26 Desember 2022, Tinjauan Fisik D.
DOI: 10.1103/PhysRevD.106.114512
Pekerjaan ini didukung oleh DOE Office of Science (NP) dan National Science Foundation. Perhitungan untuk pekerjaan ini dilakukan sebagian pada fasilitas Kolaborasi USQCD dan Fasilitas Komputasi Kepemimpinan Oak Ridge—fasilitas pengguna Kantor Ilmu Pengetahuan DOE di Laboratorium Nasional Oak Ridge. Pendanaan tambahan dan sumber daya komputasi tercantum dalam makalah ilmiah.
RisalahPos.com Network
Related posts
# PARTNERSHIP
