Protonin massan pilkkominen

APS/Alan Stonebraker

APS/Alan Stonebraker

Lähes kaikki tunnetun aineen massa sisältyy protoneihin ja neutroneihin – hiukkasiin, jotka muodostavat atomien ytimet. Mutta miten protonit ja neutronit saavat massansa? Kukin näistä hiukkasista eli ”nukleoneista” koostuu tiheästä, vaahtoavasta sekamelskasta muita hiukkasia: kvarkkeja, joilla on massaa, ja gluoneja, joilla ei ole. Kvarkkien massat muodostavat kuitenkin vain yhden prosentin protonin tai neutronin massasta, ja suurin osa protonin massasta tulee puhtaasti kvarkkien ja gluonien liikkeestä ja sulkeutumisesta. Yi-Bo Yang Michiganin valtionyliopistosta East Lansingista ja hänen kollegansa ovat nyt ensimmäistä kertaa kvantifioineet neljä erillistä osuutta protonin massasta laskelmalla, joka perustuu kvanttikromodynamiikkaan (QCD), ytimen vahvan vuorovaikutuksen perusteoriaan ja hiukkasfysiikan standardimallin kulmakiviin. Vaikka tämä neliosainen hajoaminen on ollut tiedossa jo yli 20 vuotta , fyysikoiden käsitys siitä on ollut vain kvalitatiivinen.

Protonin ja neutronin muodostavat kvarkit ovat perustavanlaatuisia hiukkasia, jotka saavat massansa Higgsin mekanismin kautta. Sama mekanismi ei selitä protonin massaa, joka koostuu kahdesta up-kvarkista ( 2,4MeV∕c2 kumpikin) ja yhdestä down-kvarkista ( 5,0MeV∕c2) . On selvää, että näiden kolmen massan summa jää kauas protonin todellisesta massasta, 938,27MeV∕c2. Nyt kvanttimekaniikka kertoo meille, että on olemassa myös massaa (tai vastaavasti energiaa), joka liittyy kvarkkien sulkeutumiseen protoniin, jonka halkaisija on noin 10-15m. Käyttämällä epävarmuusperiaatteen argumenttia hiukkasten suljettu sijainti muuttuu suureksi impulssiksi, ja sen pitäisi lisätä noin 300MeV∕c2 – se on oikeassa suhteessa protonin massaan, mutta silti liian pieni. (Samanlaiset argumentit pätevät neutroniin, joka koostuu kahdesta down-kvarkista ja yhdestä up-kvarkista.)

Itse asiassa tarkat standardimallin ennusteet sekä protonin että neutronin massasta ovat olleet olemassa jo vuosikymmenen ajan . Ytimen kannalta merkityksellisillä matalilla energioilla nämä massat voidaan ennustaa vain kolmesta parametrista: yleisestä massa-asteikosta, joka syntyy dynaamisesti QCD:ssä, sekä ylös- ja alas-kvarkkien parametreista. Protonien ja neutronien massat tunnetaan kokeellisesti paljon tarkemmin kuin standardimallin ennusteiden perusteella on koskaan mahdollista. Fyysikot haluaisivat kuitenkin ymmärtää, miten massat syntyvät QCD:stä, samaan tapaan kuin he voivat ennustaa vedyn spektrin kvanttiteoriasta.

Yang ja kollegat ovat tehneet juuri näin ja määrittäneet ensimmäistä kertaa eri kontribuutiot protonin massaan, jotka syntyvät kvarkkien ja gluonien dynamiikasta . Tutkijat tukeutuvat tehokkaaseen menetelmään, joka tunnetaan nimellä lattice QCD, joka sijoittaa kvarkit ristikon paikkoihin ja gluonit niiden välisiin linkkeihin. Tämä QCD:n tiukka esitys voidaan toteuttaa numeerisesti, ja se on ainoa QCD:hen perustuva menetelmä, jolla voidaan tehdä kvantitatiivisia ennusteita protoniin verrattavissa olevilla tai sitä suuremmilla pituusskaaloilla. (Näissä mittakaavoissa kvarkkien ja gluonien väliset vuorovaikutukset ovat niin voimakkaita, ettei niitä voida käsitellä Feynmanin kaavioilla ja muilla ”perturbatiivisilla” menetelmillä). Lattice QCD on kuitenkin kallis tekniikka. Diskretisointi aiheuttaa virheitä, ja niiden poistaminen edellyttää ristikkovälin, a, nollaamista. Tämä vaihe saavutetaan käytännössä suorittamalla useita laskutoimituksia eri a:n arvoilla, mikä aiheuttaa suuria numeerisia kustannuksia, jotka skaalautuvat a-6:n myötä. Siitä huolimatta lattice QCD on kehittynyt merkittävästi viime vuosina, ja sen avulla on pystytty määrittämään kvarkkien massat ja monet kevyiden ja raskaiden mesonien , jotka koostuvat kvarkista ja antikvarkista, ominaisuudet mahdollisimman tarkasti.

Kolmen kvarkin hiukkanen, kuten nukleoni, on eksponentiaalisesti monimutkaisempi lattice QCD:n kannalta, ja onnistuneet laskutoimitukset, joissa kaikki epävarmuuden lähteet on saatu hallintaan, ovat olleet harvinaisia. Työssään Yang ja yhteistyökumppanit selviävät joistakin komplikaatioista käyttämällä uusia laskentamenetelmiä, jotka he yhdessä muiden kanssa kehittivät . Nämä edistysaskeleet mahdollistivat sen, että he pystyivät laskemaan neljästä lähteestä peräisin olevan kontribuution protonin massaan, joita kutsutaan kvarkkikondensaatiksi ( ∼9 %), kvarkkienergiaksi ( ∼32 %), gluonikentän voimakkuusenergiaksi ( ∼37 %) ja anomaaliseksi gluonikontribuutioksi ( ∼23 %) (kuva 1). Pienin kontribuutio, kvarkkikondensaatti, on sekoitus ylös- ja alaspäin suuntautuvia kvarkkeja ja virtuaalisten outojen kvarkkien ”merta”, ja se on ainoa, joka katoaisi, jos kvarkkimassat olisivat nolla. Muut kolme termiä liittyvät kaikki kvarkkien ja gluonien dynamiikkaan ja niiden sulkeutumiseen protonin sisään. Kvarkkien energia ja gluonikentän voimakkuus vastaavat suljettujen kvarkkien kineettistä energiaa ja suljettujen gluonien kineettistä energiaa. Anomaalinen termi on puhtaasti kvanttivaikutus. Se liittyy QCD:n massa-asteikkoon ja koostuu kaikkien kvarkkimakujen kondensaateista, mukaan lukien strange-, charm-, bottom- ja top-kvarkit. Yangin ja kollegoiden laskelma osoittaa, että jos ylös-, alas- ja outokvarkkien massat olisivat kaikki nolla, protonin massa olisi edelleen yli 90 prosenttia sen kokeellisesta massasta. Toisin sanoen lähes kaikki maailmankaikkeuden tunnettu massa on peräisin kvarkkien ja gluonien dynamiikasta.

Fyysikot ovat jo pitkään halunneet ymmärtää nukleonimassan syntyä standardimallin kannalta, ja Yangin ja työtovereiden havainnot ovat tärkeä panos tähän tavoitteeseen. Heidän työnsä ja muut sen kaltaiset työt merkitsevät myös uutta aikakautta, jolloin ymmärryksemme nukleoneista muotoutuu yhä enemmän ristikko-QCD:hen perustuvien kvantitatiivisten ennusteiden avulla. Juuri tänä vuonna tutkijat käyttivät ristikko-QCD:tä nukleonin aksiaalisen varauksen, joka on ydinfysiikassa yleinen suure, määrittämiseen ennennäkemättömällä 1 prosentin tarkkuudella. Lattice QCD yhdistettynä tehokkaisiin analyyttisiin menetelmiin QCD-laskujen yksinkertaistamiseksi johtaa parempaan ymmärrykseen nukleonin alarakenteesta , jota tutkitaan useissa törmäyslaitteissa eri puolilla maailmaa ja joka olisi yksi ehdotetun elektroni-ionitörmäyttimen painopistealueista. Viime kädessä toiveena on, että ristikko-QCD:tä voitaisiin soveltaa ytimeen (useisiin nukleoneihin). Ytimiä käytetään ilmaisimina useissa kokeellisissa etsinnöissä, joilla etsitään standardimallin ulkopuolista fysiikkaa, kuten pimeää ainetta, pysyvää sähköistä dipolimomenttia ja neutriinitöntä kaksoisbeetahajoamista. Näiden kokeiden tulkinta edellyttää kvantitatiivista ymmärrystä ydinfysiikasta, joka perustuu standardimalliin. Tällaiset monimutkaiset ongelmat ovat yhä enemmän lattice QCD:n piirissä, kiitos nyt käyttöön otettavien lähes eksascale-tietokoneiden Sierra ja Summit, jotka ovat 10-15 kertaa tehokkaampia kuin jopa Yangin ja työtovereiden käyttämät tietokoneet.

Tämä tutkimus on julkaistu Physical Review Letters -lehdessä.

1. Y.-B. Yang, J. Liang, Y.-J. Bi, Y. Chen, T. Draper, K.-F. Liu ja Z. Liu, ”Proton mass decomposition from the QCD energy momentum tensor,” Phys. Rev. Lett. 121, 212001 (2018).
2. X.-D. Ji, ”QCD-analyysi nukleonin massarakenteesta,” Phys. Rev. Lett. 74, 1071 (1995).
3. S. Aoki et al., ”Review of lattice results concerning low-energy particle physics,” Eur. Phys. J. C 77, 112 (2017); Kvokeilla ei ole massaa siinä mielessä kuin elektronilla. Mutta kvarkkien massaparametri voidaan silti määritellä tiukasti määritellyllä renormalisointisuunnitelmalla ja mittakaavalla. Aoki et al. mainitsemat massat ovat ns. MS-bar-skeemassa 2 GeV:n skaalalla.
4. S. Durr et al., ”Ab initio determination of light hadron masses,” Science 322, 1224 (2008).
5. A. Bazavov et al., ”Up-, down-, strange-, charm-, and bottom-quark masses from four-flavor lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 054517 (2018).
6. K-F. Liu, J. Liang ja Y.-B, Yang, ”Variance reduction and cluster decomposition,” Phys. Rev. D 97, 034507 (2018).
7. Y.-B. Yang, M. Gong, J. Liang, H.-W. Lin, K.-F. Liu, D. Pefkou ja P. Shanahan, ”Nonperturbatively renormalized glue momentum fraction at the physical pion mass from lattice QCD,” Phys. Rev. D 98, 074506 (2018).
8. Y.-B. Yang, R. Sufian, A. Alexandru, T. Draper, M.J. Glatzmaier, K.-F. Liu ja Y. Zhao, ”Glue spin and helicity in the proton from lattice QCD,” Phys. Rev. Lett. 118, 102001 (2017).
9. C. C. Chang et al., ”A per-cent-level determination of the nucleon axial coupling from quantum chromodynamics,” Nature 558, 91 (2018).
10. H.-W. Lin et al., ”Partonijakaumat ja lattice QCD -laskelmat: A community white paper,” Prog. Part. Nucl. Phys. 100, 107 (2018).

About the Author

André Walker-Loud on Staff Scientist Lawrence Berkeley National Laboratoryssä (LBNL). Hän on väitellyt tohtoriksi Washingtonin yliopistosta Seattlessa. Sen jälkeen hän toimi postdoc-tutkijana Marylandin yliopistossa, The College of William & Maryssä (W&M) ja LBNL:ssä, minkä jälkeen hänet nimitettiin W&M:n fysiikan apulaisprofessoriksi ja Thomas Jefferson National Accelerator Facilityn johtavaksi tutkijaksi. Tutkimuksessaan hän käyttää ristikko-QCD:tä ja efektiivistä kenttäteoriaa saadakseen kvantitatiivisen käsityksen siitä, miten ydinfysiikka syntyy QCD:stä. Hän on myös kiinnostunut standardimallin rajojen tutkimisesta testaamalla perustavanlaatuisia symmetrioita ydinympäristössä.

Ainealueet

Lisää artikkeleita