Vědci „váží“ stavební kameny

Superpočítače poprvé vypočítají přesnou hmotnost nukleonu

Superpočítače pomáhají pochopit procesy v atomových jádrech a jejich hmotnosti. Síly mezi třemi kvarky v nukleonu vysvětlují viditelnou část hmoty ve vesmíru. © Forschungszentrum Jülich / Plán stránek s materiály od NASA, ESA a AURA / Caltech)
číst nahlas

Mezinárodnímu týmu vědců se poprvé podařilo teoreticky vypočítat hmotnost nejdůležitějších stavebních bloků hmoty - protonů a neutronů. Nejdůležitější nástroj fyziky: superpočítač JUGENE ve Forschungszentrum Jülich. Propracované simulace potvrzují přesnost základní fyzikální teorie, kvantové chromodynamiky, podle vědců v aktuálním vydání vědy.

Hmota je tvořena atomy a atomy zase sestávají z jádra protonů a neutronů, které se točí kolem elektronů. „Více než 99, 9 procent hmotnosti viditelné hmoty pochází z protonů a neutronů, “ vysvětluje Zoltan Fodor, maďarský fyzik v současné době pracující v Bergische Universität Wuppertal, který vedl výzkumný projekt v Jülich superpočítači JUGENE. Tyto částice, shrnuté fyziky pod termínem „nukleony“, jsou každá tvořena třemi kvarky.

Tři kvarky tvoří nukleon

Hmotnost těchto tří kvarků však tvoří pouze asi pět procent hmotnosti základního stavebního bloku - tak odkud mají jádra svou hmotnost? Odpověď na tuto otázku lze nalézt ve slavném vzorci E = m × c2 od Alberta Einsteina: energie a hmota jsou si navzájem rovnocenné a 95 procent nukleonové hmoty má svůj původ v kinetické energii kvarků a mezi nimi vyměněné částice.

Tři kvarky nukleonu jsou spojeny silnou interakcí, silou, která je důležitá pouze v rozsahu elementárních částic, ale která, jak naznačuje jejich název, je velmi silná. Fyzici už dlouho měli teoretický popis této interakce, kvantové chromodynamiky. „V zásadě by mělo být možné vypočítat hmotnost nukleonů z kvantové chromodynamiky, “ říká Fodor.

Tyto výpočty jsou však nesmírně komplikované. Stejně jako jsou elektromagnetické síly zprostředkovány fotony - světelnými částicemi - v silné interakci jsou také částice nosiče, takzvané gluony. Ale tyto gluony se na rozdíl od fotonů mohou navzájem přitahovat. Na jedné straně tato vzájemná interakce vede k tomu, že kvarky přitahují jeden druhého tak silně, že se nikdy nevyskytují samy, ale vždy vytvářejí větší částice v párech nebo trojkách. Na druhé straně díky vzájemné interakci je výpočet hmotnosti těchto částic tak složitý, že dosud překročil možnosti vědců. zobrazit

Nejrychlejší počítač v Evropě

Díky superpočítači JUGENE ve Výzkumném středisku J Forschungslicha byli Fodor a jeho kolegové schopni tuto překážku překonat, poprvé správně popisující silnou interakci i pro větší vzdálenosti kvarků a tím i masy protonů, nukleonů a jiných kvarků. JUGENE může provádět každou sekundu 180 bilionů aritmetických operací, což z ní činí nejrychlejší počítač v Evropě.

Pro jejich výpočty Fodor a jeho tým rozdělili prostor a čas na úzkoprsou čtyřrozměrnou síť a vyřešili složité rovnice kvantové chromodynamiky v bodech této sítě. Poté vědci postupně zmenšovali a zmenšovali rozteč bodů mřížky, aby stále více vyhovovali realitě, nepřetržitému časoprostoru. „Je to jedno z výpočetně nejnáročnějších děl v dějinách lidstva, “ říká Fodor.

Kvantová chromodynamika je správná

V důsledku toho vědci nakonec získali hodnoty pro hmotnosti nukleonů, které přesně odpovídají hodnotám naměřeným v experimentech. "Tak jsme ukázali, že kvantová chromodynamika je vlastně správný popis silné interakce, " říká Fodor šťastně.

„Původ velké většiny hmoty viditelné hmoty je tak objasněn, “ pokračuje výzkumník. Ale ne všechny hádanky jsou vyřešeny. Protože viditelná hmota tvoří pouze malou část celkové hmotnosti vesmíru, asi 80 procent této hmoty je tmavé a skládá se z dříve neznámých elementárních částic. "Proto má tato temná hmota svou hmotnost, zatím nemáme žádné vysvětlení."

(Forschungszentrum J lich, 21.11.2008 - DLO)