Científicos de un grupo de investigación dirigido por Constantia Alexandrou, profesor de física en la Universidad de Chipre y el Instituto de Chipre, dieron un paso crucial hacia la solución de un rompecabezas de tres décadas:han descifrado con éxito el momento angular total (espín) del nucleón, determinar cómo se comparte entre sus constituyentes. La supercomputadora CSCS Piz Daint proporcionó los recursos computacionales necesarios.

Los nucleones, protones y neutrones, son los componentes principales de los núcleos atómicos. Esas partículas, a su vez, están formadas por partículas elementales aún más pequeñas llamadas quarks y gluones. Cada nucleón tiene su propio momento angular intrínseco, o girar. Conocer el giro de las partículas elementales es importante para comprender los procesos físicos y químicos. Spin es responsable de las propiedades fundamentales de un material, por ejemplo, cambios de fase en materiales no conductores que de repente los convierten en superconductores a muy bajas temperaturas.

Los modelos teóricos originalmente asumieron que el espín del nucleón provenía solo de sus quarks constituyentes. Pero en 1987, Los experimentos de física de alta energía llevados a cabo por la European Muon Collaboration precipitaron lo que se conoció como la "crisis del espín del protón". Experimentos realizados en el CERN, DESY y SLAC mostraron que los quarks contribuyen solo con el 30 por ciento del giro del protón. Desde entonces, no ha quedado claro qué otros efectos contribuyen al giro, y en qué medida. Los estudios de física de alta energía sugirieron que los pares quark-antiquark con sus estados intermedios de corta duración podrían estar en juego aquí; en otras palabras, efectos cuánticos puramente relativistas.

Treinta años después estos misteriosos efectos finalmente se han tenido en cuenta en los cálculos realizados en la supercomputadora CSCS Piz Daint por un grupo de investigación dirigido por Constantia Alexandrou de la Universidad de Chipre en Nicosia; ese grupo también incluía investigadores de DESY-Zeuthen, Alemania, y de las universidades de Temple y Utah, ESTADOS UNIDOS. Por primera vez, los investigadores pudieron calcular las contribuciones cuantitativas de los quarks constituyentes, gluones y quarks de mar (los quarks de mar son un estado intermedio de corta duración de pares quark-antiquark dentro del nucleón) hasta el espín del nucleón. Con sus cálculos, el grupo dio un paso crucial para resolver el rompecabezas que provocó la crisis del giro de los protones.

Para calcular el giro de las partículas, los investigadores deben tener en cuenta la verdadera masa física de los quarks. "Una tarea desafiante numéricamente, pero de fundamental importancia para asegurarse de que los valores de los parámetros en las simulaciones corresponden a la realidad, "dice Karl Jansen, científico principal de DESY-Zeuthen y coautor del proyecto. La fuerte fuerza que actúa aquí que es transmitido por los gluones, es una de las cuatro fuerzas fundamentales de la física. La fuerza fuerte es Por supuesto, lo suficientemente fuerte como para evitar la eliminación de un quark de un protón; esta propiedad, conocido como confinamiento, da como resultado una enorme energía de enlace que, en última instancia, mantiene unidos los componentes de los nucleones. Los investigadores utilizaron la masa del pión, un llamado mesón, que consiste en un antiquark ascendente y uno descendente (los "quarks ligeros") para fijar la masa de los quarks ascendentes y descendentes a la masa del quark físico que entra en las simulaciones.

Si la masa del pión calculada a partir de la simulación se corresponde con el valor determinado experimentalmente, luego, los investigadores consideran que la simulación se realiza con los valores físicos reales de la masa del quark. Y eso es exactamente lo que Alexandrou y sus investigadores han logrado en su proyecto, que se publicó hoy en la revista Cartas de revisión física .

Sus simulaciones también tuvieron en cuenta los quarks de valencia (quarks constituyentes), quarks y gluones de mar. Los investigadores utilizaron la teoría de celosía de la cromodinámica cuántica (celosía QCD) para calcular este "mar" de partículas y sus interacciones QCD.

El mayor desafío con las simulaciones fue reducir los errores estadísticos en el cálculo de las "contribuciones de espín" de los quarks y gluones marinos, dice Alexandrou. "Además, una parte significativa fue llevar a cabo la renormalización de estas cantidades ". tuvieron que convertir los valores adimensionales determinados por las simulaciones en un valor físico que pueda medirse experimentalmente, como el giro que llevan los quarks constituyentes y marinos y los gluones que buscaban los investigadores. Son los primeros en incluir gluones en tales cálculos, lo que requirió calcular millones de los "propagadores" que describen cómo los quarks se mueven entre dos puntos en el espacio-tiempo.

"Hacer que supercomputadoras potentes como Piz Daint estén abiertas y disponibles en toda Europa es extremadamente importante para la ciencia europea, ", señala Jansen." Simulaciones tan elaboradas como esta fueron posibles solo gracias al poder de Piz Daint, y porque optimizamos previamente nuestros algoritmos para hacer un mejor uso de los procesadores gráficos de la máquina, "añadió Alexandrou.