Частицы, без которых Вселенная мгновенно распадется: суперкомпьютер впервые рассчитал трехмерное устройство пиона

Физики впервые реконструировали трехмерную внутреннюю структуру пиона, простейшей частицы, отвечающей за сильное ядерное взаимодействие. Исследование, основанное на расчетах с рекордным разрешением, раскрывает, как распределяются кварки внутри частицы и как это распределение меняется в зависимости от их скорости.

Прорыв в изучении генерации массы материи

Масса пиона составляет около 140 мегаэлектронвольт, что почти в семь раз меньше массы протона. При этом масса составляющих их кварков — лишь несколько процентов от общей массы этих частиц. Остальная масса рождается из энергии глюонного поля, удерживающего кварки вместе. Новая работа позволяет ученым напрямую изучать этот механизм, анализируя трехмерное распределение материи внутри пиона.

От одномерных проекций к объемной карте

Долгое время физики были ограничены двумя типами данных об адронах. Первый — электромагнитные форм-факторы, показывающие распределение электрического заряда, но не дающие информации о движении компонентов. Второй — партонные функции распределения, описывающие вероятность найти кварк с определенной долей импульса, но полностью игнорирующие его пространственное положение.

Ключом к трехмерной реконструкции стали обобщенные партонные распределения. Эти функции связывают долю продольного импульса кварка (x) с его поперечным расстоянием (b) от центра масс частицы. Расчет этих распределений позволяет построить полноценную объемную карту адрона.

Методология: решетка с рекордным разрешением

Для расчета ученые применили решетчатую квантовую хромодинамику (КХД), заменив непрерывное пространство-время дискретной сеткой. Ключевым фактором успеха стал шаг решетки — рекордные 0,04 фемтометра. Чем меньше шаг, тем точнее модель соответствует физической реальности.

Асимметричная система отсчета: революция в эффективности

Ранее расчеты обобщенных партонных распределений проводились в симметричной системе Брейта, что требовало запуска сложных вычислений заново для каждого нового значения переданного импульса. Авторы работы применили альтернативный метод — асимметричную систему отсчета. В ней импульс пиона в одном из состояний фиксируется, а меняется только импульс отдачи. Математическое доказательство эквивалентности амплитуд в обеих системах позволило рассчитывать распределения для множества значений импульса в рамках одного запуска, сократив требования к машинному времени в несколько раз.

Мост между математикой и реальностью

Расчеты на решетке проводятся в евклидовом пространстве-времени, где время — мнимая величина. Для связи с реальным миром, где частицы движутся по световому конусу, ученые применили эффективную теорию большого импульса. Придав адрону на решетке огромный продольный импульс, они связали рассчитанные квази-распределения с реальными физическими распределениями. Процедура «соответствия» была выполнена с точностью до второго порядка теории возмущений, что минимизировало систематические погрешности.

Ключевые результаты: структура пиона в деталях

После очистки данных от математических бесконечностей (перенормировки) и преобразования Фурье, исследователи получили обобщенные партонные распределения пиона. Результаты выявили две важные закономерности.

• Зависимость размеров от импульса кварков. Пространственный размер распределения кварков сильно зависит от доли продольного импульса (x). При малых значениях (x=0,2) поперечный радиус распределения составляет около 0,3 фемтометра. При увеличении импульса до x=0,8 радиус уменьшается почти втрое. Это означает, что быстрые кварки локализованы в центре пиона, тогда как медленные распределены по всей его площади.
• Сравнение с протоном. Распределение валентных кварков в центре пиона оказалось более равномерным, чем у протона. Протон обладает ярко выраженным центральным пиком плотности, в то время как у пиона распределение кварков в центральной области более сглажено. Это различие сохраняется и для распределения электрического заряда.

Значение для будущих экспериментов

Разработанный математический аппарат и расчеты из первых принципов КХД устанавливают жесткие теоретические рамки для интерпретации данных будущих экспериментов. В первую очередь, это касается строящегося Электрон-ионного коллайдера в США и аналогичной установки в Китае. Понимание трехмерной структуры пиона приближает физику к разгадке того, как безмассовые поля и легкие кварки формируют массу окружающей нас материи.