Para ilmuwan di Laboratorium Nasional Brookhaven telah menggunakan simulasi superkomputer untuk memprediksi distribusi muatan listrik di meson, yang penting untuk memahami struktur subatom materi.
Eksperimen mendatang di Electron-Ion Collider (EIC) akan lebih memvalidasi prediksi ini, menawarkan wawasan baru tentang bagaimana quark dan gluon berinteraksi untuk membentuk materi tampak.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Menjelajahi Distribusi Muatan Meson
Ahli teori fisika nuklir di Laboratorium Nasional Brookhaven Departemen Energi AS telah menunjukkan bahwa perhitungan superkomputer canggih dapat secara tepat memprediksi distribusi muatan listrik dalam meson—partikel yang terbuat dari quark dan antiquark. Para peneliti sangat bersemangat untuk mengeksplorasi meson, serta kategori partikel yang lebih luas yang disebut hadron (yang mencakup semua partikel yang terbuat dari quark), melalui eksperimen berenergi tinggi di masa depan Electron-Ion Collider (EIC), sebuah penumbuk partikel mutakhir di bawah konstruksi di Brookhaven Lab. Prediksi dan pengukuran di EIC ini akan membantu mengungkap bagaimana quark dan gluon yang mengikat keduanya menciptakan massa dan struktur hampir semua materi yang terlihat.
“Tujuan sains mendasar dari EIC adalah untuk memahami bagaimana sifat-sifat hadron, termasuk meson dan proton serta neutron yang lebih dikenal, muncul dari distribusi kuark dan gluon penyusunnya,” kata ahli teori Brookhaven Lab, Swagato Mukherjee, yang memimpin penelitian tersebut. Meson yang paling ringan, pion, memainkan peran penting dalam gaya kuat nuklir, yang mengikat proton dan neutron dalam inti atom. Dengan menyelidiki misteri pion, proton, dan hadron lainnya, EIC akan membantu para ilmuwan mengungkap bagaimana segala sesuatu yang terbuat dari atom saling menempel.
Prediksi baru, diterbitkan baru-baru ini di Surat Tinjauan Fisikcocok dengan pengukuran dari eksperimen energi rendah di Fasilitas Akselerator Nasional Thomas Jefferson (Jefferson Lab) DOE, mitra Brookhaven dalam membangun EIC, dan memperluas ke rezim energi tinggi yang direncanakan untuk eksperimen di fasilitas baru. Prediksi ini penting karena akan memberikan dasar perbandingan ketika eksperimen EIC dimulai pada awal tahun 2030an.
Namun, temuan ini lebih dari sekadar menetapkan ekspektasi terhadap pengukuran EIC tunggal. Seperti dijelaskan dalam makalah tersebut, para ilmuwan menggunakan prediksi mereka – bersama dengan perhitungan superkomputer independen tambahan – untuk memvalidasi pendekatan yang banyak digunakan dalam menguraikan sifat-sifat partikel. Pendekatan ini, yang dikenal sebagai faktorisasi, memecah proses fisik yang kompleks menjadi dua komponen, atau faktor. Validasi faktorisasi akan memungkinkan lebih banyak prediksi EIC dan interpretasi hasil eksperimen yang lebih percaya diri.
Menggali Dunia Subatom
Untuk menyelidiki susunan bagian dalam hadron, EIC akan membenturkan elektron berenergi tinggi dengan proton atau inti atom. Foton virtual, atau partikel cahaya, yang dipancarkan dari elektron membantu mengungkap sifat-sifat hadron — seperti mikroskop untuk bahan penyusun materi.
Tabrakan di EIC akan memberikan pengukuran yang tepat terhadap berbagai proses hamburan fisik. Untuk mengubah pengukuran presisi ini menjadi gambar beresolusi tinggi dari bahan penyusun hadron, para ilmuwan mengandalkan faktorisasi. Pendekatan teoretis ini membagi pengukuran eksperimental – misalnya, distribusi muatan listrik dalam meson – menjadi dua komponen sehingga para ilmuwan dapat menggunakan pengetahuan tentang dua bagian proses tersebut untuk menyimpulkan informasi tentang bagian ketiga.
Bayangkan persamaan matematika di mana X = Y × Z. Nilai penuh, X — pengukuran eksperimental — dapat terdiri dari dua faktor, Y dan Z. Salah satu faktor, Y, menjelaskan bagaimana quark dan gluon didistribusikan di dalam hadron. Faktor lainnya, Z, menggambarkan interaksi quark dan gluon tersebut dengan dunia maya berenergi tinggi foton dipancarkan oleh elektron yang bertabrakan.
Komputasi Tingkat Lanjut dalam Fisika Partikel
Distribusi quark/gluon sangat sulit dihitung karena interaksi yang kuat antara quark dan gluon di dalam hadron. Perhitungan tersebut mengandung miliaran variabel yang dijelaskan oleh teori interaksi kuat, yang dikenal sebagai kromodinamika kuantum (QCD). Menyelesaikan persamaan QCD biasanya memerlukan simulasi interaksi pada kisi ruang-waktu imajiner menggunakan superkomputer yang kuat.
Sebaliknya, interaksi quark dan gluon dengan foton virtual relatif lemah. Jadi, para ahli teori dapat menggunakan perhitungan “pena di atas kertas” untuk memperoleh nilai-nilai tersebut. Mereka kemudian dapat menggunakan perhitungan sederhana yang dikombinasikan dengan pengukuran eksperimental (atau pengukuran prediksi) – dan hubungan matematis antara faktor-faktor tersebut – untuk menyelesaikan persamaan dan sampai pada gambaran distribusi quark dan gluon di dalam hadron.
“Tetapi apakah ini benar-benar berhasil – memisahkan satu fenomena menjadi dua faktor?” tanya Qi Shi, seorang mahasiswa pascasarjana tamu di Kelompok Teori Nuklir Brookhaven Lab. “Kami perlu membuktikan bahwa hal itu benar.”
Untuk melakukan hal tersebut, para ilmuwan menjalankan faktorisasi secara terbalik. “Kami membalikkan keadaan,” kata Shi.
Shi dan Xiang Gao, peneliti postdoctoral di kelompok tersebut, menggunakan superkomputer dan simulasi kisi ruang-waktu untuk menghitung distribusi quark-antiquark di meson (Y, dalam persamaan di atas). Kemudian mereka menggunakan perhitungan “pena di atas kertas” yang lebih sederhana dari interaksi quark/gluon dengan foton (Z) dan melakukan perhitungan matematika untuk menemukan nilai prediksi untuk pengukuran eksperimental (X) – distribusi muatan di dalam meson.
Akhirnya, para ilmuwan membandingkan prediksi baru ini dengan prediksi yang mereka lakukan menggunakan perhitungan superkomputer terpisah – prediksi yang cocok dengan pengukuran Jefferson Lab pada energi rendah. Dengan membandingkan dua prediksi – yang satu dihitung menggunakan faktorisasi dan satu lagi dihitung secara independen menggunakan pendekatan simulasi kisi – mereka dapat menguji apakah faktorisasi adalah cara yang valid untuk menyelesaikan masalah tersebut.
Perhitungan faktorisasi terbalik sangat cocok dengan prediksi perhitungan superkomputer mereka.
“Dalam hal ini, kita dapat menghitung semuanya sepenuhnya menggunakan kisi,” kata Shi. “Kami memilih kasus khusus ini karena kami dapat menghitung ruas kiri dan kanan persamaan menggunakan penghitungan independen untuk menunjukkan bahwa faktorisasi berhasil.”
Kini, para ilmuwan dapat menggunakan faktorisasi untuk memprediksi dan menganalisis observasi EIC lainnya, meskipun salah satu sisinya tidak dapat dihitung secara langsung.
“Pekerjaan ini menunjukkan bahwa pendekatan faktorisasi berhasil,” kata Peter Petreczky, pemimpin kelompok dan salah satu penulis makalah ini. “Para ilmuwan kini dapat menggunakan data dan faktorisasi EIC di masa depan untuk menyimpulkan distribusi kuark dan gluon lain yang lebih kompleks dalam hadron yang tidak dapat dihitung – bahkan dengan menggunakan komputer paling canggih dan teknik paling canggih sekalipun.”
Referensi: “Prediksi QCD untuk Faktor Bentuk Elektromagnetik Meson pada Momenta Tinggi: Menguji Faktorisasi dalam Proses Eksklusif” oleh Heng-Tong Ding, Xiang Gao, Andrew D. Hanlon, Swagato Mukherjee, Peter Petreczky, Qi Shi, Sergey Syritsyn, Rui Zhang dan Yong Zhao, 29 Oktober 2024, Surat Tinjauan Fisik.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.181902
Penelitian ini didukung oleh DOE Office of Science (NP) dan menggunakan penghargaan waktu komputer di Argonne Leadership Computing Facility, Oak Ridge Leadership Computing Facility, dan National Energy Research Scientific Computing Center — semua fasilitas pengguna DOE Office of Science di Laboratorium Nasional Argonne DOE, Laboratorium Nasional Oak Ridge DOE, dan Laboratorium Nasional Lawrence Berkeley DOE. Perhitungan juga dilakukan sebagian pada fasilitas Kolaborasi Kromodinamik Kuantum Krom AS (USQCD).
RakyatPos.ID Network
