计算揭示了质子内部夸克的高分辨率视图

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这张图说明了一个质子以接近光速向观察者移动，其自旋沿水平方向对齐（大箭头）。底部同心圆的两个视图显示了该质子内上夸克（左）和下夸克（右）动量的空间分布（白色高;紫罗兰低）。资料来源：布鲁克海文国家实验室

美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室，阿贡国家实验室，天普大学，波兰亚当密茨凯维奇大学和德国波恩大学的核理论家合作，使用超级计算机来预测质子内“上”和“下”夸克的电荷，动量和其他性质的空间分布。刚刚发表在《物理评论D》上的结果揭示了上夸克和下夸克特征的关键差异。

“这项工作是第一个利用新的理论方法来获得质子内夸克的高分辨率图谱的工作，”布鲁克海文实验室核理论小组的Swagato Mukherjee说，他是该论文的共同作者。“我们的计算表明，上夸克比下夸克分布更对称，分布距离更小。这些差异意味着上夸克和下夸克可能对质子的基本性质和结构做出不同的贡献，包括其内部能量和自旋。

坦普尔大学的共同作者玛莎·康斯坦丁努（Martha Constantinou）指出：“我们的计算为解释核物理实验中的数据提供了输入，这些数据探索夸克和将它们结合在一起的胶子如何在质子内分布，从而产生质子的整体性质。

此类实验已经在连续电子束加速器设施（CEBAF）进行，这是托马斯杰斐逊国家加速器设施的美国能源部科学办公室用户设施。布鲁克海文实验室未来的电子离子对撞机（EIC）计划使用更高分辨率的版本。在这些实验中，高能电子发射出虚拟的光粒子，这些光粒子散射并改变质子的整体动量而不将其分解。

质子的动量响应这些散射而变化的方式揭示了夸克和胶子的细节 - 质子的内部成分 - 有点像用于块状物质构建块的X射线成像技术。

GPD的新理论方法

具体来说，散射使科学家能够获得质子的广义帕顿分布（GPD），部分子是夸克和胶子的统称。如果你把质子想象成一个装满代表夸克和胶子的弹珠的袋子，GPD提供了这些弹珠的能量动量和其他特征如何在袋子内分布的描述 - 例如，当袋子被摇晃并且弹珠四处移动时。

它可以与一张地图进行比较，该地图指示在袋子内特定位置找到具有特定能量动量的大理石的可能性。了解这些夸克和胶子特征的分布使科学家能够了解质子的内部运作，这可能会导致应用这些知识的新方法。

“为了获得详细的地图，我们需要分析许多散射相互作用，涉及质子动量变化的各种值，”布鲁克海文核理论小组和RIKEN BNL研究中心（RBRC）的研究助理Shohini Bhattacharya说。

为了有效地模拟质子的多重动量变化，研究人员必须开发一种新的理论方法，最近发表在物理评论D上。

以前，理论家认为质子的动量变化在光散射之前和之后在质子之间平均分配。这种简化提供了不太准确的现实表示，也使模拟的计算成本很高。

“质子的每个动量变化值都需要单独的模拟，这大大增加了获得详细质子图的计算负担，”Bhattacharya解释说。

“新方法可以将动量转移的影响视为所有对离任质子的影响 - 最终状态。这给出了一个更接近实际物理过程的观点，“她说。

“最重要的是，新的理论方法使得在一次模拟中模拟多个动量传递值成为可能。

布鲁克海文实验室核理论小组和RIKEN BNL研究中心（RBRC）的物理学家Shohini Bhattacharya帮助开发了一种新的形式主义，可以获取质子内夸克和胶子的分布。该小组使用这种方法来预测质子内“上”和“下”夸克的电荷，动量和其他性质的空间分布。资料来源：布鲁克海文国家实验室

利用晶格

描述夸克及其相互作用的计算在称为量子色动力学（QCD）的理论中详细说明。但是由于这些方程有许多变量，因此很难求解。最初由布鲁克海文实验室开发的一种称为晶格QCD的技术有助于应对这一挑战。

在这种方法中，物理学家将夸克“放置”在离散化的4D时空晶格上 - 一种3D网格，其中夸克位于节点处，解释了夸克的排列如何随时间变化（第四维）。超级计算机通过运行每个夸克与所有其他夸克的所有可能的相互作用来解决QCD方程，包括这些相互作用如何受到无数变量的影响。

“模拟光子（光粒子）与质子相互作用的新形式使我们能够利用晶格QCD来模拟更多数量的动量转移，以实现比以前努力快约10倍的更高分辨率成像，”该研究的共同作者，阿贡国家实验室的研究助理Xiang Gao说。

由于QCD方程具有单独的上夸克和下夸克变量，因此该方法允许科学家捕获每种夸克类型的单独图像并计算其各自的GPD。

结果和影响

除了绘制出上下夸克的能量动量分布外，该团队还绘制了它们在质子内的电荷分布。

他们还探索了夸克在极化质子中的动量和电荷分布，其中质子的自旋在特定方向上对齐，以研究内部构建块如何促进质子的自旋。质子自旋是磁共振成像（MRI）中每天使用的特性，使医生能够非侵入性地看到我们体内的结构。但是这种特性是如何从质子的内部构建块中产生的仍然是一个谜。

“在极化质子内，我们发现与上夸克相比，下夸克动量的分布特别不对称和扭曲，”高说。“由于动量的空间分布告诉我们质子内部夸克的角动量，这些发现表明，上下夸克对质子自旋的不同贡献源于它们不同的空间分布，”他指出。

根据他们的计算，科学家们得出结论，上下夸克可以占质子总自旋的不到70%。这意味着胶子也必须做出重大贡献。质子的自旋（角动量）如何分布在其组成夸克和胶子之间，提供了有关质子内部结构的线索。反过来，这有助于科学家了解在原子核内起作用的力。

布鲁克海文实验室相对论重离子对撞机（RHIC）的实验结果支持胶子对自旋有重大贡献的观点。这是未来EIC将详细探讨的核心问题之一。

新的理论预测将用于提供与这些实验进行比较的基本信息，并帮助科学家解释他们的数据，Joshua Miller指出，他是在Constantinou的监督下在坦普尔大学进行博士研究的共同作者。

“这两个互补的东西 - 理论和实验 - 必须结合起来才能获得质子的完整图像，”米勒说。

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原标题：《『计算揭示了质子内部夸克的高分辨率视图》

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