Американские ученые разработали самую детализированную трехмерную модель пиона — ключевой субатомной частицы, играющей важную роль в формировании материи во Вселенной. Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США и Брукхейвенской национальной лаборатории использовали суперкомпьютер Polaris для получения точной картины внутренней структуры пиона, состоящего из кварка и антикварка. Цель проекта заключалась в изучении внутреннего устройства пиона и распределения его фундаментальных компонентов на уровне квантовой хромодинамики. Пионы, как самые легкие адронные частицы, играют ключевую роль в физике элементарных частиц, участвуя в переносе сильного взаимодействия, которое удерживает протоны и нейтроны в ядрах атомов и составляет большую часть массы видимой материи. По словам физиков, понимание структуры пиона помогает объяснить, как из фундаментальных частиц формируется материя, наблюдаемая нами.
Из-за ограниченных экспериментальных данных изучение внутренней структуры пиона было сложной задачей.
Для ее решения ученые применили крупномасштабные вычислительные симуляции на основе методов решеточной квантовой хромодинамики. Частицы и поля размещались на сетке с миллионами узлов, и поведение системы моделировалось в четырехмерном пространстве-времени. Суперкомпьютер Polaris позволил объединить теоретические модели с высокой вычислительной мощностью и восстановить трехмерную структуру пиона в движении. Моделирование включало сотни снимков четырехмерного пространства-времени и показало, как кварки распределяются внутри частицы в зависимости от их импульса и направления.
Результаты исследования показали, что распределение кварков внутри пиона существенно зависит от его импульса. При увеличении импульса поперечный размер пиона уменьшается, и при умеренных значениях он становится меньше, чем у протона. Эти данные были получены с помощью вычисления обобщенных партонных распределений, описывающих пространственно-импульсную структуру кварков. В будущем ученые планируют использовать суперкомпьютер Aurora для трехмерного моделирования протона, что позволит глубже понять механизмы удержания кварков и глюонов, формирующих атомные ядра и всю видимую материю. Исследование опубликовано в журнале Journal of High Energy Physics.
