Une impression d'artiste de la façon dont le proton est fabriqué. Les quarks et les gluons tournent, contribuant à donner exactement ½ pour le spin du proton. La question de savoir comment cela est fait et combien chacun contribue est un casse-tête depuis 1987. Crédit :avec l'aimable autorisation du Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques d'un groupe de recherche dirigé par Constantia Alexandrou, professeur de physique à l'Université de Chypre et à l'Institut de Chypre, fait une étape cruciale vers la résolution d'un puzzle vieux de trois décennies :ils ont déchiffré avec succès le moment angulaire total (spin) du nucléon, déterminer comment il est partagé entre ses constituants. Le supercalculateur CSCS Piz Daint a fourni les ressources de calcul nécessaires.
Les nucléons (protons et neutrons) sont les principaux constituants des noyaux atomiques. Ces particules sont à leur tour constituées de particules élémentaires encore plus petites appelées quarks et gluons. Chaque nucléon a son propre moment cinétique intrinsèque, ou tourner. Connaître le spin des particules élémentaires est important pour comprendre les processus physiques et chimiques. Le spin est responsable des propriétés fondamentales d'un matériau, par exemple, changements de phase dans les matériaux non conducteurs qui les transforment soudainement en supraconducteurs à très basse température.
Les modèles théoriques supposaient à l'origine que le spin du nucléon provenait uniquement de ses quarks constitutifs. Mais en 1987, les expériences de physique des hautes énergies menées par la European Muon Collaboration ont précipité ce qui allait être connu sous le nom de "crise du spin du proton". Expériences réalisées au CERN, DESY et SLAC ont montré que les quarks ne contribuent qu'à 30 % du spin du proton. Depuis, on ne sait pas quels autres effets contribuent à la rotation, et dans quelle mesure. Les études de physique des hautes énergies ont suggéré que des paires quark-antiquark avec leurs états intermédiaires de courte durée pourraient être en jeu ici - en d'autres termes, effets quantiques purement relativistes.
Trente ans plus tard, ces effets mystérieux ont finalement été pris en compte dans les calculs effectués sur le supercalculateur CSCS Piz Daint par un groupe de recherche dirigé par Constantia Alexandrou de l'Université de Chypre à Nicosie; ce groupe comprenait également des chercheurs de DESY-Zeuthen, Allemagne, et des universités Temple et Utah, ETATS-UNIS. Pour la première fois, les chercheurs ont pu calculer les contributions quantitatives des quarks constitutifs, gluons et quarks de la mer—les quarks de la mer sont un état intermédiaire de courte durée de paires quark-antiquark à l'intérieur du nucléon—au spin du nucléon. Avec leurs calculs, le groupe a franchi une étape cruciale vers la résolution de l'énigme qui a provoqué la crise du spin du proton.
Composition du spin du proton parmi les quarks constitutifs (colonnes bleues et violettes avec les traits), quarks marins (bleus, colonnes pleines violettes et rouges) et les gluons (colonne verte). Les erreurs sont indiquées par les barres. Crédit :Constantia Alexandrou et al.
Pour calculer le spin des particules, les chercheurs doivent rendre compte de la véritable masse physique des quarks. "Une tâche numériquement difficile, mais d'une importance essentielle pour s'assurer que les valeurs des paramètres dans les simulations correspondent à la réalité, " dit Karl Jansen, scientifique principal à DESY-Zeuthen et co-auteur du projet. La force puissante agissant ici, qui est transmis par les gluons, est l'une des quatre forces fondamentales de la physique. La force forte est, En effet, assez fort pour empêcher l'élimination d'un quark d'un proton; cette propriété, connu sous le nom de confinement, résulte en une énorme énergie de liaison qui maintient finalement ensemble les constituants du nucléon. Les chercheurs ont utilisé la masse du pion, un soi-disant méson, composé d'un antiquark up et d'un antiquark down - les "quarks légers" - pour fixer la masse des quarks up et down à la masse physique du quark entrant dans les simulations.
Si la masse du pion calculée à partir de la simulation correspond à la valeur déterminée expérimentalement, alors les chercheurs considèrent que la simulation est faite avec les valeurs physiques réelles de la masse du quark. Et c'est exactement ce qu'Alexandrou et ses chercheurs ont réalisé dans leur projet, qui a été publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique .
Leurs simulations ont également pris en compte les quarks de valence (quarks constituants), quarks et gluons marins. Les chercheurs ont utilisé la théorie du réseau de la chromodynamique quantique (réseau QCD) pour calculer cette « mer » de particules et leurs interactions QCD.
Le plus grand défi avec les simulations était de réduire les erreurs statistiques dans le calcul des "contributions au spin" des quarks et gluons marins, dit Alexandrou. "En outre, une partie importante a été de procéder à la renormalisation de ces quantités." En d'autres termes, ils ont dû convertir les valeurs sans dimension déterminées par les simulations en une valeur physique qui peut être mesurée expérimentalement, comme le spin porté par le constituant et les quarks marins et les gluons que les chercheurs recherchaient. Ils sont les premiers à inclure des gluons dans de tels calculs, ce qui nécessitait de calculer des millions de "propagateurs" qui décrivent comment les quarks se déplacent entre deux points dans l'espace-temps.
« Rendre des superordinateurs puissants comme Piz Daint ouverts et disponibles dans toute l'Europe est extrêmement important pour la science européenne, " note Jansen. " Des simulations aussi élaborées n'ont été possibles que grâce à la puissance de Piz Daint, et parce que nous avons pré-optimisé nos algorithmes pour tirer le meilleur parti des processeurs graphiques de la machine, " ajouta Alexandrou.
