在介子中的电荷分布计算为实验测试建立了基准，并支持普遍使用的“分解”方法，以便可视化物质的基础组成部分。美国能源部（DOE）布鲁克海文国家实验室的理论物理学家们表明，在超级计算机上进行的先进计算可以可靠地预测电荷在介子中的分布，介子是由一个夸克和一个反夸克组成的粒子。研究人员渴望通过即将建成的电子-离子对撞机（EIC）进行高能实验，深化对介子和其他基于夸克的粒子（统称为重子）的理解。通过这些预测和EIC实验获得的洞察，预计将揭示夸克及相应的胶子（束缚夸克的粒子）如何形成几乎所有可见物质的质量和结构。
“EIC的主要科学目标是揭示包括介子在内的重子的特性（如质子和中子）如何源于其组成夸克和胶子的分布，” 布鲁克海文实验室理论家、该研究的负责人Swagato Mukherjee解释说。作为最轻的介子， pion在束缚质子和中子于原子核内的核强作用中起着关键作用。通过探索pion、质子以及其他重子的神秘性质，EIC旨在帮助科学家理解保持原子结构的相互作用。
最近在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上报告的新预测与美国能源部的托马斯·杰弗森国家加速器设施（杰弗逊实验室）进行的低能实验的数据密切一致，后者是EIC项目的合作伙伴，并且这些预测也扩展到了新设施实验所预期的高能领域。这些预测具有重要价值，因为当EIC实验在2030年代初开始时，它们将作为一个基准点。
然而，这些发现不仅仅是为特定的EIC测量设置预期。如出版物中所述，研究人员利用他们的预测与其他独立的超级计算机计算相结合，以证明可以广泛接受的粒子性质分析方法论框架的有效性。这个框架被称为分解，它将复杂的物理过程简化为两个独立的部分或因子。确认分解的有效性将允许更广泛的EIC预测，并提高对实验观测结果的解释准确性。
深入重子
为了探索重子的内部组成，EIC将利用电子和质子或原子核进行高能碰撞。在这些相互作用中，虚光子（类似光粒子）从电子中发射，有助于揭示重子的特性——就像显微镜一样观察物质的基本组成部分。
EIC的实验将产生不同物理散射事件的精确测量。为了将这些精确测量转换为重子内物质基本成分的详细图像，研究人员将依靠分解。这一理论框架允许实验测量（如介子中的电荷分布）被划分为两个因子。这种划分使得科学家能够将来自两个过程的知识应用于推导关于第三个过程的信息。
考虑一个数学表达式，X = Y × Z。在这里，X代表实验测量，由两个因子Y和Z组成。一个因子Y代表重子内部夸克和胶子的排列，而另一个因子Z则表示这些夸克和胶子如何与碰撞电子发出的高能虚光子相互作用。
计算夸克/胶子的分布由于夸克和胶子在重子内部的强相互作用而面临显著挑战。这些计算涉及数十亿个变量，并由称为量子色动力学（QCD）的强相互作用理论所支配。通常，解决QCD方程需要在假设的时空格子上使用强大的超级计算机进行仿真。
相反，夸克和胶子与虚光子之间的相互作用相对较弱，使得理论物理学家能够使用更简单的“纸上算术”方法推导出这些值。然后，他们可以将这些简单的计算与实验测量（观察到和预期的）结合起来，利用因子之间的数学关系来解决方程并辨别重子内夸克和胶子的分布。
“但是这种方法真的有效吗？将一个现象分解成两个独立的因子？”布鲁克海文实验室核理论组的访问研究生齐诗问道。“我们必须确认其有效性。”
为了验证这一方法，研究人员反向处理分解。“我们翻转了过程，”齐说。
齐和组内的博士后研究员高翔利用超级计算机和时空格子仿真计算了介子中夸克-反夸克对的分布（在前面提到的方程中为Y）。然后，他们为夸克/胶子与光子的相互作用（Z）应用了更简单的“纸上算术”计算，并计算出实验测量的预测值（X）——即介子中的电荷分布。
最终，科学家们将这些新预测与通过独立超级计算机计算获得的与杰弗逊实验室在较低能量下的测量结果相匹配的预测进行了比较。通过评估两组预测——一组是通过分解得出的，另一组是通过格子仿真单独计算的——他们能够测试在处理这些问题时分解方法的有效性。
反向分解计算与他们来自超级计算机的预测完全一致。
“在这种情况下，我们完全通过格子计算来计算所有内容，”齐表示。“我们选择了这个特定的场景，因为我们可以独立计算方程的两个方面，这表明分解是有效的。”
展望未来，科学家可以利用分解来预测和分析额外的EIC可观察量，即使某个组成部分无法直接计算。
“这项工作表明，分解方法是可靠的，”研究小组负责人及该研究的合著者彼得·佩特雷奇基评论道。“研究人员现在可以结合即将到来的EIC数据与分解，推断出重子中可能无法直接计算的更复杂的夸克和胶子分布，即使拥有最先进的计算资源和技术。”
这项研究得到了能源部科学办公室（NP）的资助，并利用了阿戈尼国家实验室、橡树岭国家实验室和劳伦斯伯克利国家实验室的阿戈尼领导计算设施、橡树岭领导计算设施和国家能源研究科学计算中心的计算资源。部分计算也在属于美国格子量子色动力学（USQCD）合作的设施上进行。
