Teóricos nucleares recorrem a supercomputadores para mapear os blocos de construção da matéria em 3D

Bem no fundo do que percebemos como matéria sólida, a paisagem é tudo menos estacionária. O interior dos blocos de construção do núcleo do átomo — partículas chamadas hádrons que um estudante do ensino médio reconheceria como prótons e nêutrons — é feito de uma mistura fervente de quarks e glúons interagindo, conhecidos coletivamente como pártons.

Um grupo de físicos agora se uniu para mapear esses pártons e destrinchar como eles interagem para formar hádrons. Baseados no Thomas Jefferson National Accelerator Facility do Departamento de Energia dos EUA e conhecidos como HadStruc Collaboration, esses físicos nucleares têm trabalhado em uma descrição matemática das interações dos pártons. Suas últimas descobertas foram publicadas recentemente no Revista de Física de Altas Energias.

“A HadStruc Collaboration é um grupo baseado no Jefferson Lab Theory Center e em algumas das universidades próximas”, disse o membro do HadStruc Joseph Karpie, um pesquisador de pós-doutorado no Jefferson Lab’s Center for Theoretical and Computational Physics. “Temos algumas pessoas na William & Mary e na Old Dominion University.”

Outros membros da colaboração que são coautores do artigo são os cientistas do Jefferson Lab Robert Edwards, Colin Egerer, Eloy Romero e David Richards. O Departamento de Física William & Mary é representado por Hervé Dutrieux, Christopher Monahan e Kostas Orginos, que também tem uma posição conjunta no Jefferson Lab. Anatoly Radyushkin também é um membro do corpo docente conjunto do Jefferson Lab afiliado à Old Dominion University, enquanto Savvas Zafeiropoulos está na Université de Toulon, na França.

Uma teoria forte

Os componentes dos hádrons, chamados pártons, são unidos pela interação forte, uma das quatro forças fundamentais da natureza, juntamente com a gravidade, o eletromagnetismo e a força fraca, que é observada na decomposição de partículas.

Karpie explicou que os membros da HadStruc Collaboration, como muitos físicos teóricos no mundo todo, estão tentando determinar onde e como os quarks e os glúons são distribuídos dentro do próton. O grupo usa uma abordagem matemática conhecida como cromodinâmica quântica de rede (QCD) para calcular como o próton é construído.

Dutrieux, um pesquisador de pós-doutorado na William & Mary, explicou que o artigo do grupo descreve uma abordagem tridimensional para entender a estrutura hadrônica através da lente QCD. Essa abordagem foi então realizada por meio de cálculos de supercomputador.

O conceito 3D é baseado na noção de distribuições de partons generalizadas (GPDs). GPDs oferecem vantagens teóricas sobre as estruturas visualizadas por meio de funções de distribuição de partons unidimensionais (PDFs), uma abordagem QCD mais antiga.

“Bem, o GPD é muito melhor no sentido de que permite que você elucide uma das grandes questões que temos sobre o próton, que é como seu spin surge”, disse Dutrieux. “O PDF unidimensional fornece uma imagem muito, muito limitada sobre isso.”

Ele explicou que o próton consiste em uma primeira aproximação de dois quarks up e um quark down — conhecidos como quarks de valência. Os quarks de valência são mediados por uma lista variável de glúons gerados a partir de interações de força forte, que agem para colar os quarks. Esses glúons, bem como pares de quarks-antiquarks — geralmente denotados como o mar de quarks-antiquarks ao distingui-los dos quarks de valência — estão continuamente sendo criados e se dissolvendo de volta na força forte.

Uma das descobertas impressionantes sobre o spin do próton veio em 1987, quando medições experimentais demonstraram que o spin dos quarks contribui para menos da metade do spin geral do próton. De fato, muito do spin do próton pode surgir do spin do gluon e do movimento dos pártons na forma de momento angular orbital. Ainda é necessário muito esforço experimental e computacional para esclarecer essa situação.

“Os GPDs representam uma oportunidade promissora para acessar essa parte angular orbital e produzir uma explicação firmemente fundamentada de como o spin do próton é distribuído entre quarks e glúons”, observou Dutrieux.

Ele continuou dizendo que outro aspecto que a colaboração espera abordar por meio de GPDs é um conceito conhecido como tensor de momento de energia.

“O tensor de momento de energia realmente diz a você como a energia e o momento são distribuídos dentro do seu próton”, disse Dutrieux. “Eles dizem a você como seu próton interage com a gravidade também. Mas agora, estamos apenas estudando sua distribuição de matéria.”

Simulando os dados

Como mencionado, acessar essas informações requer alguns cálculos sofisticados em supercomputadores. Após desenvolver sua nova abordagem, os teóricos conduziram 65.000 simulações da teoria e suas suposições para testá-la.

Este tremendo número de cálculos foi realizado no Frontera no Texas Advanced Computer Center e no supercomputador Frontier no Oak Ridge Leadership Computing Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Oak Ridge National Laboratory. Este número incluiu 186 simulações de prótons se movendo com diferentes momentos realizadas no fundo de 350 coleções de glúons geradas aleatoriamente. Este cálculo exigiu que os processadores nessas instalações funcionassem coletivamente por milhões de horas. A análise final desses resultados é concluída nos supercomputadores menores no Jefferson Lab.

O resultado deste trabalho foi um teste robusto da abordagem 3D desenvolvida pelos teóricos. Este teste é um resultado de marco importante para a Colaboração Tópica de Tomografia de Quark-Gluon (QGT) do DOE.

“Esta foi nossa prova de princípio. Queríamos saber se os resultados dessas simulações pareceriam razoáveis ​​com base no que já sabemos sobre essas partículas”, disse Karpie. “Nosso próximo passo é melhorar as aproximações que usamos nesses cálculos. Isso é computacionalmente 100 vezes mais caro em termos de tempo de computação.”

Novos dados no horizonte

Karpie destacou que a teoria GPD da HadStruc Collaboration já está sendo examinada em experimentos em instalações de alta energia no mundo todo. Dois processos para examinar a estrutura do hádron por meio de GPDs, espalhamento Compton profundamente virtual (DVCS) e produção de méson profundamente virtual (DVMP), estão sendo conduzidos no Jefferson Lab e em outras instalações.

Karpie e Dutrieux esperam que o trabalho do grupo esteja na lista de experimentos no Electron-Ion Collider (EIC), um acelerador de partículas sendo construído no Brookhaven National Laboratory do DOE em Long Island. O Jefferson Lab fez parceria com o Brookhaven National Laboratory no projeto.

Espera-se que o EIC seja poderoso o suficiente para sondar hádrons além do ponto em que os instrumentos atuais começam a perder sinal, mas a exploração da estrutura de como os hádrons são montados não esperará que o EIC fique online.

“Temos alguns novos experimentos no Jefferson Lab. Eles estão coletando dados agora e nos dando informações para comparar com nossos cálculos”, disse Karpie. “E então esperamos ser capazes de construir e obter informações ainda melhores no EIC. Tudo faz parte dessa cadeia de progresso.”

Os membros da HadStruc Collaboration estão buscando aplicações experimentais adicionais de seu trabalho de teoria QCD no Jefferson Lab e outras instalações. Um exemplo disso é usar supercomputadores para calcular resultados mais precisos de dados que estão em mãos há décadas.

Karpie acrescentou que espera estar alguns passos à frente dos pesquisadores.

“O QCD sempre ficou para trás em relação aos experimentos. Nós geralmente estávamos ‘pós-ditando’ em vez de ‘prevendo’ o que estava acontecendo”, disse Karpie. “Então, agora, se pudermos realmente progredir — se pudermos fazer algo que os experimentadores ainda não conseguem fazer — isso seria muito legal.”