Американские физики совершили прорыв в изучении фундаментальной структуры материи, создав наиболее подробную трехмерную реконструкцию пиона — ключевой субатомной частицы.
Для достижения этой беспрецедентной точности ученые задействовали вычислительные мощности суперкомпьютера Polaris, что позволило впервые визуализировать внутреннее устройство частицы, состоящей из кварка и антикварка.
Научная группа из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США совместно с коллегами из Брукхейвенской национальной лаборатории поставила перед собой амбициозную задачу: понять, как именно распределены фундаментальные компоненты внутри пиона на уровне квантовой хромодинамики.
Пионы, являясь самыми легкими адронными частицами, играют критическую роль в физике, выступая переносчиками сильного взаимодействия.
Почему пион так важен для науки
Именно сильное взаимодействие скрепляет протоны и нейтроны в атомных ядрах и отвечает за формирование подавляющей части массы всей видимой материи. Как отмечают исследователи, расшифровка внутреннего строения пиона приближает науку к разгадке фундаментального вопроса о том, как из мельчайших частиц рождается наблюдаемая Вселенная
Однако долгое время изучение этой частицы было затруднено из-за крайней ограниченности экспериментальных данных.
Чтобы преодолеть это препятствие, ученые применили метод решеточной квантовой хромодинамики, разместив виртуальные частицы и поля на вычислительной сетке, содержащей миллионы узлов. Это позволило им смоделировать поведение системы в четырехмерном пространстве-времени. Благодаря суперкомпьютеру Polaris исследователи объединили теоретические выкладки с колоссальной вычислительной мощностью и успешно восстановили трехмерную структуру пиона в динамике.
Неожиданные результаты и планы на будущее
Моделирование включало в себя обработку сотен «снимков» четырехмерного пространства-времени, что дало возможность проследить, как изменяется распределение кварков внутри частицы в зависимости от их импульса и направления движения.
Ученые выяснили, что поперечный размер пиона уменьшается по мере увеличения его импульса. При умеренных значениях он оказывается даже меньше, чем у протона.
Эти выводы были сделаны на основе вычисления обобщенных партонных распределений, которые описывают пространственно-импульсную структуру кварков. В ближайших планах ученых — переход к еще более сложной задаче. Следующим этапом станет использование суперкомпьютера Aurora для трехмерного моделирования протона. Это позволит глубже понять механизмы, удерживающие кварки и глюоны вместе и формирующие атомные ядра, а следовательно, и всю видимую материю.
