Это не каждый день, что ученые уменьшают неуверенность в фундаментальной константе природы с 30% до 1,5%, но бригада теоретических физиков утверждает, что сделала просто это. Используя суперкомпьютеры и моделирования комплекса ума-bogglingly, исследователи вычислили массы частиц, названных “кварк” и “вниз кварк”, составляющий протоны и нейтроны с в 20 раз большей точностью, чем предыдущий стандарт.
Новые числа могли быть благом для теоретиков, пытающихся расшифровывать столкновения частицы в ускорителях ядерных частиц как Большой коллайдер адрона (LHC) Европы или пытающийся развить более глубокие теории структуры вопроса.“Это – смелое требование, и на это нужно будет посмотреть очень тщательно, но я думаю, что результат прочен”, говорит Пол Маккензи, теоретик в Ферми Национальная Лаборатория Акселератора в Батавии, Иллинойс, кто не был вовлечен в работу.
Ученые знали с 1968, что протоны и нейтроны содержат кварк, связанный так называемой существенной силой. Тем не менее, экспериментаторы никогда не были в состоянии измерить массы кварка непосредственно, и теоретики не были в состоянии вычислить их с большой точностью.
Причина тупика проста: Кварк держится за друг друга так плотно, что невозможно изолировать один и изучить его отдельно. “Вы не можете только поместить кварк на масштаб и сказать, ‘Это – то, что его масса’”, говорит Кристин Дэвис, теоретик в Университете г. Глазго в Соединенном Королевстве.Для усугубления положение частицы, составленные из кварка, ужасно сложны. Номинально, протон состоит из два кварк и вниз кварк, которые скрепляют себя путем обмена глюонов. (Нейтрон состоит из два вниз кварк и кварк.) В действительности сами глюоны обменивают глюоны.
И бесчисленные пары антикварка кварка мелькают в и из существования. Таким образом, протон является фактически бесконечностью загрязнения кварка и глюонов, в который три оригинального кварка «валентности», который определяет идентичность протона, составляет меньше чем 2% массы. Кварк также прибывает в четыре более тяжелых типа или «ароматы» — странный, очарование, нижняя часть и вершина — таким образом, теоретики не могут проанализировать частицу как протон в изоляции. Вместо этого они должны одновременно объяснить свойства всей семьи связанных частиц, такой как?, который состоит из кварк, вниз кварк и странный кварк.
Тем не менее, в последние годы, физики сделали большие успехи в вычислении свойств частиц, сделанных из кварка, который известен коллективно как адроны. Ключевой подход должен моделировать частицы с помощью квантовой хромодинамики решетки или решетки QCD.
В этих моделированиях исследователи моделируют непрерывное пространство в адроне как сетка пунктов, названных решеткой. Они также предполагают, что время проходит в дискретном тиканье, весь из которого делает математику намного легче. Исследователи помещают кварк и глюоны на пунктах решетки и используют суперкомпьютеры для моделирования их взаимодействий, с помощью решеток с меньшим и меньшим интервалом для приближения реального адрона. В ноябре 2008 различная бригада теоретиков использовала решетку QCD для вычисления к высоким массам точности протона, нейтрона и других частиц с тремя кварком.
Теперь, Дэвис и коллеги по существу перевернули процесс и использовали решетку QCD для вычисления масс вниз-кварка и-кварка. Отдельные массы кварка обычно служат вводами, настраивающимися на надлежащие значения во время вычисления свойств адрона. Могло бы казаться, что физики могли просто записать те значения и назвать проблему решенной, но это становится хитрым.
Точные значения масс кварка зависят от математических методов, используемых в моделировании. Кроме того, каждая масса кварка выпускает значительную неуверенность. Дэвис и коллеги нашли способ обойти такие проблемы, как бы то ни было.
Вместо того, чтобы пытаться вычислить массу каждого типа кварка независимо, они вычислили отношения тех масс.В частности они вычислили отношение массы кварка очарования к массе странного кварка. Они объединили это с вычислениями от другой группы отношений массы странного кварка к массе-кварка и к массе вниз-кварка. Те отношения выпускают намного меньшую неуверенность, объясняет Г. Питер Лепэдж, член команды из Корнелльского университета.
И они могут быть объединены с уже известным значением массы кварка очарования — который легче определить, потому что это приблизительно в 500 раз больше — для окончательного прибивания масс самого легкого кварка, как исследователи сообщают на этой неделе в Physical Review Letters. Бригада находит, что кварк весит 2.01 +/-0,14 мегаэлектронвольта, тогда как вниз кварк весит 4.79 +/-0.16 MeV. Это составляет 0,214% и 0,510% массы протона, соответственно.Знание масс легкого кварка “абсолютно необходимо в связке путей”, говорит Маккензи.
Те массы помогают предсказать, на какие столкновения частицы в LHC и в другом месте должен быть похожим согласно “стандартной модели теоретиков”. В свою очередь те вычисления являются ключевыми для определения несоответствий, которые могли бы указать на новые частицы или явления, говорит он. К тому же, тогда как стандартная модель рассматривает массы кварка как произвольные, физики надеются развить более глубокие теории, которые могли бы объяснить, например, почему у них есть значения, которые они делают.
Массы кварка обеспечили бы важную оценку для такого усилия, говорит Маккензи.Однако, Норман Христос, теоретик в Колумбийском университете, говорит, что Дэвис и коллеги делают определенные предположения и приближения в их определенных вычислениях, которые должны быть проверены. “Вы хотите видеть подтвержденный независимым средством, надо надеяться конкурирующей группой, это пытается показать, что эта группа неправа и должна тянуться, пиная и крича, чтобы признать, что их результаты соглашаются”.