Ce graphique illustre un proton se déplaçant à une vitesse proche de la vitesse de la lumière vers l'observateur avec sa rotation alignée dans la direction horizontale (grande flèche). Les deux vues de cercles concentriques en bas montrent les distributions spatiales de l'impulsion des quarks up (à gauche) et des quarks down (à droite) au sein de ce proton (le blanc est élevé ; le violet est faible). Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Les théoriciens du nucléaire ont développé une carte à haute résolution de la distribution des quarks au sein des protons, distinguant les rôles des quarks up et down dans les propriétés des protons à l'aide de modèles informatiques avancés.
Une collaboration de théoriciens nucléaires du Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE), du Laboratoire national d'Argonne, de l'Université Temple, de l'Université Adam Mickiewicz de Pologne et de l'Université de Bonn, en Allemagne, a utilisé des superordinateurs pour prédire la distribution spatiale des charges. l'élan et d'autres propriétés des quarks « up » et « down » au sein des protons. Les résultats, publiés dans la revue Examen physique Da révélé des différences clés dans les caractéristiques des quarks up et down.
« Ce travail est le premier à exploiter une nouvelle approche théorique pour obtenir une carte haute résolution des quarks dans un proton », a déclaré Swagato Mukherjee du groupe de théorie nucléaire du Brookhaven Lab et co-auteur de l'article. «Nos calculs montrent que le quark up est distribué de manière plus symétrique et réparti sur une distance plus petite que le quark down. Ces différences impliquent que les quarks up et down peuvent apporter des contributions différentes aux propriétés fondamentales et à la structure du proton, y compris son énergie interne et son spin.
La co-auteure Martha Constantinou de l'Université Temple a noté : « Nos calculs fournissent des données pour interpréter les données d'expériences de physique nucléaire explorant la manière dont les quarks et les gluons qui les maintiennent ensemble sont distribués dans le proton, donnant ainsi naissance aux propriétés globales du proton. »
De telles expériences sont déjà en cours au Centre d'accélérateur à faisceau d'électrons continu (CEBAF), une installation utilisateur du Bureau des sciences du DOE au sein du Centre national d'accélérateur Thomas Jefferson. Des versions à plus haute résolution sont prévues pour le futur collisionneur électron-ion (EIC) du Brookhaven Lab. Dans ces expériences, des électrons de haute énergie émettent des particules virtuelles de lumière qui se dispersent et modifient l’impulsion globale d’un proton sans le briser. La façon dont l’impulsion du proton change en réponse à ces diffusions révèle des détails sur les quarks et les gluons – les composants internes du proton – un peu comme une technique d’imagerie aux rayons X pour les éléments constitutifs de la matière en vrac.
Nouvelle approche théorique du GPD
Plus précisément, les diffusions donnent aux scientifiques accès à la distribution partonique généralisée (GPD) du proton, le parton étant le nom collectif des quarks et des gluons. Si vous imaginez le proton comme un sac rempli de billes représentant des quarks et des gluons, le GPD fournit une description de la façon dont l'énergie-impulsion et d'autres caractéristiques de ces billes sont distribuées dans le sac – par exemple, lorsque le sac est secoué et que les billes se déplacer. Cela peut être comparé à une carte qui indique la probabilité de trouver une bille avec un élan énergétique spécifique à une position particulière à l’intérieur du sac. Connaître la distribution de ces caractéristiques des quarks et des gluons permet aux scientifiques de comprendre le fonctionnement interne du proton, ce qui pourrait conduire à de nouvelles façons d'appliquer ces connaissances.
« Pour obtenir une carte détaillée, nous devons analyser de nombreuses interactions de diffusion, impliquant diverses valeurs de changement d'impulsion du proton », a déclaré Shohini Bhattacharya, chercheur associé au groupe de théorie nucléaire de Brookhaven et au centre de recherche RIKEN BNL (RBRC).

Shohini Bhattacharya, physicien du groupe de théorie nucléaire du Brookhaven Lab et du RIKEN BNL Research Center (RBRC), a contribué au développement d'un nouveau formalisme donnant accès à la distribution des quarks et des gluons au sein d'un proton. Le groupe a utilisé cette approche pour prédire les distributions spatiales des charges, de l’impulsion et d’autres propriétés des quarks « up » et « down » au sein des protons. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Pour simuler efficacement les multiples changements de quantité de mouvement du proton, les chercheurs ont dû développer une nouvelle approche théorique, publiée récemment dans Examen physique D.
Auparavant, les théoriciens utilisaient l'idée selon laquelle le changement d'impulsion du proton était partagé à parts égales entre le proton avant et après la diffusion de la lumière. Cette simplification a fourni une représentation moins précise de la réalité et a également rendu les simulations coûteuses en termes de calcul.
« Chaque valeur de changement de quantité de mouvement du proton nécessitait une simulation distincte, ce qui augmentait considérablement la charge de calcul nécessaire pour obtenir une carte détaillée des protons », a expliqué Bhattacharya.
« La nouvelle méthode peut examiner l’effet du transfert d’impulsion comme étant entièrement sur le proton sortant – l’état final. Cela donne une vision plus proche du processus physique réel », a-t-elle déclaré.
« Plus important encore, la nouvelle approche théorique permet de modéliser de nombreuses valeurs de transfert de quantité de mouvement au sein d'une seule simulation. »
Tirer parti du réseau
Les calculs décrivant les quarks et leurs interactions sont explicités dans une théorie connue sous le nom de chromodynamique quantique (QCD). Mais comme ces équations comportent de nombreuses variables, elles sont très difficiles à résoudre. Une technique connue sous le nom de QCD sur réseau, développée à l’origine au Brookhaven Lab, permet de relever ce défi.
Dans cette méthode, les physiciens « placent » les quarks sur un réseau spatio-temporel 4D discrétisé – une sorte de grille 3D où les quarks se trouvent aux nœuds et qui explique la façon dont la disposition des quarks change au fil du temps (la quatrième dimension). Les superordinateurs résolvent les équations de la CDQ en passant en revue toutes les interactions possibles de chaque quark avec tous les autres, y compris la manière dont ces interactions sont affectées par la myriade de variables.
« Le nouveau formalisme de modélisation des interactions des photons (particules de lumière) avec les protons nous a permis d'exploiter la QCD sur réseau pour simuler un nombre beaucoup plus élevé de transferts d'impulsion afin d'obtenir une imagerie à plus haute résolution environ 10 fois plus rapide que les efforts précédents », a déclaré co-auteur de l'étude, Xiang Gao, associé de recherche au Laboratoire national d'Argonne.
Étant donné que les équations de la CDQ comportent des variables distinctes pour les quarks up et down, la méthode permet aux scientifiques de capturer des images distinctes de chaque type de quark et de calculer leurs GPD individuels.
Résultats et implications
En plus de cartographier les distributions d'énergie et d'impulsion des quarks up et down, l'équipe a également cartographié leurs distributions de charges au sein des protons. Ils ont également exploré la distribution de l'impulsion et de la charge des quarks dans les protons polarisés, où les spins des protons sont alignés dans une direction particulière, afin d'étudier comment les éléments constitutifs internes contribuent au spin du proton. Le spin des protons est une propriété utilisée quotidiennement en imagerie par résonance magnétique (IRM), permettant aux médecins de visualiser de manière non invasive les structures de notre corps. Mais la manière dont cette propriété découle des éléments constitutifs internes du proton reste un mystère.
« Au sein d'un proton polarisé, nous avons constaté que la distribution de l'impulsion des quarks down est particulièrement asymétrique et déformée par rapport à celle des quarks up », a déclaré Gao. « Puisque la distribution spatiale de l'impulsion nous renseigne sur le moment cinétique des quarks à l'intérieur d'un proton, ces résultats montrent que les différentes contributions des quarks up et down au spin du proton découlent de leurs différentes distributions spatiales », a-t-il noté.
D'après leurs calculs, les scientifiques ont conclu que les quarks up et down peuvent représenter moins de 70 % du spin total du proton. Cela implique que les gluons doivent également contribuer de manière significative. La façon dont le spin (moment angulaire) du proton est réparti entre ses quarks et gluons constitutifs fournit des indices sur la structure interne du proton. Ceci, à son tour, aide les scientifiques à comprendre les forces qui agissent au sein du noyau atomique.
Les résultats expérimentaux du collisionneur d'ions lourds relativistes (RHIC) du Brookhaven Lab, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab, soutiennent l'idée d'une contribution significative des gluons au spin. C’est l’une des questions centrales qui seront explorées en détail lors du futur EIC.
Les nouvelles prédictions théoriques seront utilisées pour fournir des informations essentielles à la comparaison avec ces expériences et pour aider les scientifiques à interpréter leurs données, a noté Joshua Miller, co-auteur de son doctorat. recherche à l'Université Temple sous la direction de Constantinou.
« Ces deux choses complémentaires – la théorie et l'expérience – doivent être combinées pour obtenir une image complète du proton », a déclaré Miller.
Ce travail a été soutenu par le DOE Office of Science (NP) et la National Science Foundation. Les calculs pour ce travail ont été effectués en partie sur les installations de la collaboration USQCD et de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory. Des financements et ressources informatiques supplémentaires sont répertoriés dans l’article scientifique.