علماء أمريكيون ينشئون خريطة ثلاثية الأبعاد عالية الدقة حتى الآن للمادة التي تشكل الجسيمات
استخدم العلماء في الولايات المتحدة الكمبيوتر الفائق Polaris لتوليد صور ثلاثية الأبعاد الأكثر تفصيلاً للبيون، وهو أخف جسيم مصنوع من الكواركات. هذه الدراسة، التي ساعدت في الكشف عن البنية الداخلية للبيون بتفاصيل غير مسبوقة، أجراها فريق بحث في مختبر أرجون الوطني (ANL) التابع لوزارة الطاقة الأمريكية. البيونات هي جسيمات دون ذرية تلعب دورًا مهمًا في ربط النوى الذرية معًا. قال يونغ تشاو، الحائز على درجة الدكتوراه، وهو فيزيائي ANL والباحث الرئيسي في المشروع: “تتوسط البيونات في القوة القوية التي تربط النيوكليونات، أي البروتونات والنيوترونات التي تشكل كتلة الذرة”. وفقًا لتشاو وفريقه، فإن النتائج لا تكشف فقط عن كيفية ترتيب الكواركات داخل الجسيم، ولكنها تقدم أيضًا أدلة جديدة حول كيفية تشكل المادة المرئية من الجسيمات الأساسية. ويعتبر هذا الأخير أحد أكبر الألغاز في الفيزياء. رسم خريطة للبيون تعد البيونات من أخف وأبسط الجسيمات دون الذرية. وتحكمها القوة القوية التي تربط البروتونات والنيوترونات معًا داخل النواة الذرية. وتشكل هذه القوة 98% من كتلة الكون المرئي. كما أنها تتكون من كوارك وكوارك مضاد. ومع ذلك، وعلى الرغم من أهميتها، فقد ناضل العلماء من أجل فحص بنيتها الداخلية لأن البيانات التجريبية لا تزال محدودة. للتغلب على هذا التحدي، تحول الباحثون في مختبر ANL ومختبر بروكهافن الوطني إلى عمليات محاكاة حاسوبية واسعة النطاق. رسم يوضح الحركة العرضية للكوارك (الكرة الخضراء) داخل بروتون يتماشى دورانه مع اتجاه حركته (سهم أصفر كبير). الائتمان: فاليري لينتز / مختبر بروكهافن الوطني. قام الفريق بدمج النماذج النظرية المتقدمة مع القوة الحاسوبية لـ Polaris. يقال إن هذا أعاد إنشاء البنية الداخلية للبايون بتفاصيل رائعة. وأشار تشاو إلى أن فحص البنية المتعددة الأبعاد للبيون يوفر نظرة أعمق للخصائص الأساسية للجسيم. وقال: “من خلال فحص البنية الداخلية للبيون، نكتسب فهمًا أعمق لكيفية حصر الكواركات والجلونات في خلق المادة المرئية”. أنتجت عمليات المحاكاة صورًا ثلاثية الأبعاد عالية الدقة أظهرت كيفية توزيع الكواركات في جميع أنحاء الجسيم. إن فهم هذه البنية ضروري لشرح كيفية اتحاد الكواركات والجلونات لتكوين المادة المرئية التي تشكل الكون. منظور جديد للمشروع، قامت المجموعة بمحاكاة مئات اللقطات للزمكان رباعي الأبعاد (4D) باستخدام الديناميكا اللونية الكمومية الشبكية. هذه تقنية تضع الجسيمات والحقول على شبكة حسابية واسعة. وقال تشاو في بيان: “هذه مهمة ممكنة فقط مع قوة الحوسبة المتوازية واسعة النطاق مثل تلك الموجودة في أجهزة الكمبيوتر العملاقة ALCF”. “وبالتالي حصلنا على صور عالية الدقة لبنية الكوارك في بيون متحرك.” أظهرت الصور كيفية توزيع الكواركات التي تحمل أجزاء مختلفة من زخم البيون عبر الجسيم. قام الفريق بتصميم نموذج لكيفية تحرك الكواركات على طول اتجاه حركة البيون وعبره. اعتمدت عمليات المحاكاة على شبكات تحتوي على ملايين نقاط الشبكة. وأضاف تشاو: “تلتقط المحاكاة مئات اللقطات للزمكان رباعي الأبعاد لدينا، والممثلة على شبكة تحتوي على ملايين نقاط الشبكة”. كشفت الحسابات عن توزيع بارتون الكوارك المعمم (GPD) للبيون. هذا إطار رياضي يصف كيفية توزيع الكواركات في كل من الزخم والفضاء. قدمت الخرائط الناتجة صورة مفصلة ثلاثية الأبعاد للجسيم. وفقًا لتشاو، كانت إحدى النتائج البارزة هي أن الحجم العرضي للبيون يتناقص مع زيادة زخمه. ووجد الفريق أيضًا أن البيون يبدو أصغر من البروتون عند قيم زخم معتدلة. واختتم تشاو حديثه قائلاً: “خطوتنا التالية هي استخدام الكمبيوتر العملاق Aurora الخاص بـ ALCF لرسم خريطة للبروتون في ثلاثة أبعاد”. “تشكل البروتونات، مع النيوترونات، جميع النوى الذرية التي تشكل المادة المرئية في كوننا.” وقد نشرت الدراسة في مجلة فيزياء الطاقة العالية.
تم النشر: 2026-06-12 20:59:00
