美國科學家利用 Polaris 超級計算機生成了最詳細的輕子三維（3D）影像，該輕子是由夸克組成的最輕粒子。這項研究由美國能源部阿根奈國家實驗室（ANL）的研究團隊進行，幫助揭示了輕子的內部結構，前所未有的詳細程度。輕子是亞原子粒子，在原子核的結合中扮演著重要角色。ANL 的物理學家及該項目主要研究者趙勇（Yong Zhao）表示：「輕子介導著將核子（即質子和中子）結合在一起的強相互作用。」
根據趙勇及其團隊的説法，這些研究結果不僅揭示了夸克在粒子內的排列方式，還提供了關於可見物質如何從基本粒子形成的新線索，這被認為是物理學中的一大謎團。
美國科學家成功生成輕子三維影像，揭示其內部結構
輕子是最輕且最簡單的亞原子粒子之一。它們受到強相互作用的支配，該力將質子和中子結合在原子核內。這種力佔據了可見宇宙質量的 98%。輕子由一個夸克和一個反夸克組成。然而，儘管其重要性，科學家們在研究其內部結構時仍然面臨困難，因為實驗數據依然有限。為了克服這一挑戰，ANL 和布魯克海文國家實驗室的研究人員轉向大型計算機模擬。團隊結合先進的理論模型與 Polaris 的計算能力，重建了輕子的內部結構，並取得了驚人的細節。
趙勇指出，檢視輕子的多維結構能提供對這一粒子基本特性的深入洞見。「通過探測輕子的內部結構，我們能更深入瞭解夸克和膠子是如何被限制以創造可見物質的。」
該項目中，團隊模擬了四維時空的數百個快照，使用了格子量子色動力學（lattice quantum chromodynamics）。這是一種將粒子和場置於廣泛計算網格上的技術。趙勇在一份聲明中表示：「這是一項只有藉助 ALCF 超級計算機的大規模並行計算能力才能完成的任務。」因此，他們獲得了運動中的輕子夸克結構的高解析度影像。這些影像顯示了攜帶不同輕子動量分數的夸克如何在粒子中分佈。
團隊模擬了夸克在輕子的運動方向及其橫向的運動。這些模擬依賴於數以百萬計的網格點的格子。
趙勇補充説：「模擬捕捉了我們的四維時空的數百個快照，這些快照在數以百萬計的網格點的格子上表示。」計算結果揭示了輕子的夸克廣義部分分佈（GPD），這是一種數學框架，用於描述夸克在動量和空間中的分佈。所生成的圖譜提供了該粒子的詳細 3D 圖像。根據趙勇的説法，一個顯著的發現是，隨著輕子動量的增加，其橫向大小會減小。團隊還發現，輕子在中等動量值下的外觀比質子小。「我們的下一步是使用 ALCF 的 Aurora 超級計算機來映射質子的三維結構。」
趙勇總結道：「質子與中子共同構成了我們宇宙中可見物質的所有原子核。」這項研究已發表在《高能物理學雜誌》上。
