Istraživači "vagaju" gradivne blokove

Superračunala prvi put izračunavaju točnu nukleonsku masu

Superračunala pomažu razumjeti procese u atomskim jezgrama i njihove mase. Sile između tri kvarka u nukleonu objašnjavaju vidljivi dio mase u svemiru. © Forschungszentrum Jülich / Plan stranice s materijalima NASA-e, ESA-e i AURA / Caltech-a)
čitati naglas

Međunarodni tim istraživača prvi je put uspio izračunati masu najvažnijih građevnih materija - protona i neutrona - na teorijski način. Najvažniji alat fizičara: superračunalo JUGENE u Forschungszentrum Jülich. Razrađene simulacije potvrđuju točnost temeljne fizičke teorije, kvantne kromodinamike, tvrde znanstvenici u trenutnom broju Science-a.

Materija je sastavljena od atoma, a atomi se zauzvrat sastoje od jezgre protona i neutrona koji se okreću oko elektrona. "Više od 99, 9 posto mase vidljive materije dolazi iz protona i neutrona", objašnjava Zoltan Fodor, mađarski fizičar koji trenutno radi na Bergische Universität Wuppertal, koji je vodio istraživački projekt na superračunalu Jülich JUGENE. Te čestice, koje su fizičari saželi pod izrazom "nukleoni", sastoje se od tri kvarka.

Tri kvarka čine nukleon

Masa tri kvarka, međutim, samo iznosi oko pet posto mase jezgrene građevne jedinice - pa odakle nukleonima svoju masu? Odgovor na ovo pitanje može se naći u poznatoj formuli E = m × c2 Alberta Einsteina: energija i masa su jednaki jednakoj, a 95 posto nukleonske mase ima svoje podrijetlo u kinetičkoj energiji kvarkova i čestica koje se međusobno izmjenjuju.

Tri kvarka nukleona povezana su snažnom interakcijom, silom važnom samo u rasponu elementarnih čestica, ali koja je, kao što im ime govori, vrlo jaka. Fizičari su dugo imali teorijski opis te interakcije, kvantnu kromodinamiku. "U principu, trebalo bi biti moguće izračunati masu nukleona iz kvantne kromodinamike", kaže Fodor.

Međutim, takvi su proračuni enormno komplicirani. Kao što elektromagnetske sile posreduju fotoni - svjetlosne čestice - tako postoje i čestice nosača u jakoj interakciji, takozvani gluoni. Ali ti gluoni mogu - za razliku od fotona - također privlačiti jedni druge. S jedne strane, ova samo-interakcija dovodi do toga da se kvarkovi međusobno privlače tako snažno da se nikad ne javljaju sami, već uvijek formiraju veće čestice u paru ili troje. S druge strane, samo-interakcija čini izračun mase tih čestica toliko složenim da je do sada premašila mogućnosti istraživača. prikaz

Najbrže računalo u Europi

Zahvaljujući superračunalu JUGENE u istraživačkom centru J Forschungslich, Fodor i njegovi kolege uspjeli su svladati ovu prepreku, prvi put ispravno opisujući snažnu interakciju čak i za veće udaljenosti kvarka i samim tim mase protona, nukleona i drugih kvarkova. JUGENE može izvesti 180 bilijuna aritmetičkih operacija svake sekunde, što ga čini najbržim računarom u Europi.

Fodor i njegov tim podijelili su prostor i vrijeme u četverodimenzionalnu mrežu usko povezanih i riješili složene jednadžbe kvantne kromodinamike na točkama ove mreže. Zatim su istraživači postupno pravili razmak točaka rešetke sve manjim i manjim, kako bi se što više i više pridržavali stvarnosti, neprekidnog prostora-vremena. "To je jedno od računski najintenzivnijih djela u povijesti čovječanstva", kaže Fodor.

Kvantna kromodinamika je ispravna

Kao rezultat toga, znanstvenici su napokon dobili vrijednosti za mase nukleona, koje točno odgovaraju vrijednostima izmjerenim u eksperimentima. "Tako smo pokazali da je kvantna kromodinamika zapravo ispravan opis jake interakcije", sretno kaže Fodor.

"Tako je pojašnjeno porijeklo ogromne većine mase vidljive materije", nastavlja istraživač. Ali nisu sve zagonetke riješene. Jer vidljiva materija čini samo mali dio ukupne mase svemira oko 80 posto ove mase je tamna i sastoji se od ranije nepoznatih elementarnih čestica. Zašto ova tamna materija ima svoju masu, zasad nemamo objašnjenja.

(Forschungszentrum J lich, 21.11.2008. - DLO)