Американские ученые создали наиболее детализированную трехмерную модель пиона — одной из ключевых субатомных частиц, участвующих в формировании материи во Вселенной. Для этого они использовали суперкомпьютер Polaris, что позволило получить беспрецедентно точную картину внутренней структуры частицы, состоящей из кварка и антикварка.
Работа была выполнена исследователями из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США при участии специалистов Брукхейвенской национальной лаборатории. Целью проекта стало изучение того, как устроен пион внутри и каким образом распределяются его фундаментальные компоненты на уровне квантовой хромодинамики.
Пионы относятся к самым легким адронным частицам и играют важнейшую роль в физике элементарных частиц, поскольку именно они участвуют в переносе сильного взаимодействия. Это взаимодействие удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов и отвечает за подавляющую часть массы видимой материи во Вселенной. По словам физиков, понимание внутренней структуры пиона помогает приблизиться к объяснению того, как из фундаментальных частиц формируется наблюдаемая нами материя.
Из-за крайне ограниченных экспериментальных данных изучение внутреннего строения пиона долгое время оставалось сложной задачей. Чтобы преодолеть это ограничение, ученые применили крупномасштабные вычислительные симуляции, основанные на методах решеточной квантовой хромодинамики, размещая частицы и поля на вычислительной сетке с миллионами узлов и моделируя поведение системы в четырехмерном пространстве-времени.
С помощью суперкомпьютера Polaris исследователи смогли объединить теоретические модели с высокой вычислительной мощностью и восстановить трехмерную структуру пиона в движении. Моделирование включало сотни снимков четырехмерного пространства-времени и позволило проследить, как кварки распределяются внутри частицы в зависимости от их импульса и направления движения.
Полученные результаты показали, что распределение кварков внутри пиона существенно зависит от его импульса. В частности, ученые обнаружили, что поперечный размер пиона уменьшается по мере увеличения импульса, а при умеренных значениях он оказывается меньше, чем у протона. Эти данные были получены на основе вычисления обобщенных партонных распределений, описывающих пространственно-импульсную структуру кварков.
Авторы работы отмечают, что следующим шагом станет использование суперкомпьютера Aurora для трехмерного моделирования протона. Это позволит еще глубже понять механизмы удержания кварков и глюонов, формирующих атомные ядра и, в конечном итоге, всю видимую материю Вселенной.
Исследование в журнале Journal of High Energy Physics.