物理学家利用超级计算机绘制质子和中子的三维结构图

在构成我们世界的看似固体的物质内部，夸克和胶子的动态景观相互作用，形成原子核的组成部分。现在，一个物理学家团队朝着绘制三维亚原子地形迈出了重要的一步，为物质的基本结构提供了新的见解。

HadStruc合作组织是由美国能源部托马斯·杰斐逊国家加速器设施(杰斐逊实验室)的一群核理论家组成的，他们开发了一种新颖的数学方法来描述部分子(夸克和胶子的统称)之间的相互作用。他们的研究结果最近发表在《高能物理学杂志》上，代表了我们对强子(构成质子和中子的粒子)理解的重大进展。

揭示强子的三维结构

这项研究的核心是广义部分子分布(GPD)的概念，它提供了强子结构的三维视图。这种方法比旧的一维模型具有显著的优势。

“嗯，GPD的优势在于它能够解答我们对质子的一个大疑问，也就是质子的自旋是如何产生的，”威廉玛丽学院博士后研究员、HadStruc合作项目成员HervéDutrieux解释道。

该团队的工作解决了粒子物理学中一个长期存在的难题：质子自旋的起源。自1987年实验表明夸克自旋对质子总自旋的贡献不到一半以来，科学家一直在寻找剩余自旋的来源。GPD为理解胶子和部分子的轨道运动如何对这一基本特性做出贡献提供了一条有希望的途径。

利用超级计算机的力量

为了测试他们的新方法，HadStruc团队使用一些世界上最强大的超级计算机进行了令人印象深刻的65,000次模拟，包括德克萨斯高级计算中心的Frontera和橡树岭国家实验室的Frontier。

杰斐逊实验室理论与计算物理中心的博士后研究员约瑟夫·卡皮(JosephKarpie)强调了这项工作的规模：“这是我们的原理证明。我们想知道根据我们对这些粒子的了解，这些模拟的结果是否合理。”

这些模拟需要数百万处理器小时，展示了探究量子色动力学(QCD)深度所需的巨大计算资源，QCD是描述结合夸克和胶子的强核力的理论。

从理论到实验

HadStruc合作组织的工作不仅仅是理论性的——它已经在世界各地的实验中得到检验。杰斐逊实验室和其他设施正在使用深度虚拟康普顿散射(DVCS)和深度虚拟介子生成(DVMP)等过程通过GPD检查强子结构。

展望未来，该团队的研究有望在即将在布鲁克海文国家实验室建造的电子离子对撞机(EIC)的实验中发挥关键作用。这一新设施有望以前所未有的水平探测强子，有可能验证和扩展HadStruc团队的理论工作。

突破预测的界限

HadStruc合作项目的成果代表了粒子物理学理论与实验之间关系的重大转变。Karpie指出，他们的工作有潜力超越实验能力：

“QCD总是落后于实验。我们通常是事后预测，而不是预测正在发生的事情。所以，现在如果我们真的能取得进展——如果我们能做一些实验者还做不到的事情——那就太酷了。”

随着团队不断改进计算并突破超级计算机模拟的极限，他们不仅解开了物质构成模块的秘密，还重塑了我们对主宰宇宙的基本力量的理解。