Struktura hadronowa i sprzężenie silne
Obecnie według modelu standardowego fizyki cząstek istnieje 12 elementarnych cząstek materii, bozon Higgsa oraz cztery cząstki będące nośnikami oddziaływań. Hadrony, podobnie jak protony i neutrony, nie są cząstkami elementarnymi, jednak są złożone z elementarnych cząstek materii zwanych kwarkami. Kwarki są powiązane gluonami — elementarnymi cząstkami siły pośredniczącymi w oddziaływaniu silnym, które jest między innymi odpowiedzialne za utrzymywanie jednoimiennych protonów w jądrze. Naukowcy użyli symulacji Monte Carlo, by zbadać strukturę hadronów i uzyskać precyzyjne pomiary stałej sprzężenia silnego w ramach finansowanego przez UE projektu "Precision lattice QCD calculations" (PRECISION LATTICEQCD). Symulacje Monte Carlo, które są możliwe dopiero od momentu pojawienia się superkomputerów, polegają na wielokrotnym próbkowaniu losowym. Umożliwiają stochastyczne rozwiązania całek po trajektoriach w chromodynamice kwantowej przy użyciu wielu różnych zestawów wejściowych liczb losowych (zwykle więcej niż 10 000). Symulacje Monte Carlo okazywały się bardzo istotne w procesie pozyskiwania wartości szacunkowych wielkości niedostępnych lub trudnych do zmierzenia w sposób doświadczalny, przy czym dziedzina chromodynamiki nie stanowi tu wyjątku. Jako część modelu standardowego chromodynamika kwantowa jest teorią oddziaływania silnego pomiędzy kwarkami a gluonami. W przypadku wysokich energii chromodynamikę kwantową można traktować perturbacyjnie. Jednak poza tą sferą chromodynamika kwantowa znacznie przybiera na złożoności i prognozy stają się trudne. Następuje przejście do kratowej chromodynamiki kwantowej, czyli chromodynamiki kwantowej poddanej "digitalizacji", w której w czasoprzestrzeni euklidesowej (układzie kratowym) istnieją punkty dyskretne. Nie ma tam żadnych założeń ani przybliżeń i możliwe jest zastosowanie sprawdzonych i wyjątkowo skutecznych symulacji Monte Carlo. Dzięki wielu godzinom pracy na różnych systemach superkomputerów do obliczeń równoległych uczestnikom projektu udało się zgromadzić mnóstwo danych kratowych dotyczących funkcji struktury hadronowej oraz stałej sprzężenia silnego. Opracowali nową metodę eliminowania określonych artefaktów (hipersześciennych artefaktów kratowych) nieodłącznie towarzyszących tym oraz innym obserwacjom kratowym, dzięki której przyszłe analizy oraz płynące z nich wnioski będą mniej niepewne i bardziej precyzyjne. Wyniki będą miały wpływ na wiele problemów z zakresu fizyki cząstek elementarnych. Możliwe, że wspomogą fizyczne poszukiwania wykraczające poza model standardowy, a z pewnością okażą się pomocne w nowych doświadczeniach, polegających na sięganiu poza świat fizycznie mierzalny, do świata fizycznych możliwości.
Słowa kluczowe
Struktura hadronowa, sprzężenie silne, kratowa chromodynamika kwantowa, symulacje Monte Carlo, chromodynamika kwantowa
