Dra Pawła Sznajdera z Zakładu Fizyki Teoretycznej - jednego z 12 adiunktów NCBJ wyróżnionych w ubiegłym roku w instytucie - interesuje wnętrze nukleonów: protonów, neutronów i podobnych im cząstek. Dr Sznajder nie tylko opracowuje narzędzia teoretyczne, które będą przydatne przy analizie już przygotowywanych eksperymentów, ale potrafi też w bardzo przystępny sposób wyjaśnić co i po co robi. Z przyjemnością przedstawiamy przygotowany przez niego opis.

Jednym z najważniejszych pytań, na jakie próbuje odpowiedzieć nauka, jest to dotyczące struktury materii. Koncepcja zakładająca, że materia składa się z niepodzielnych elementów została sformułowana już w starożytności przez indyjskich i greckich filozofów. Koncepcja atomizmu, biorąca swą nazwę od greckiego słowa ἄτομον (atomon, dosł. niepodzielny), nie była jednak poparta żadnymi faktami doświadczalnymi. Te przyniósł dopiero wiek XIX naszej ery, kiedy to teoria atomów posłużyła do ścisłej klasyfikacji związków chemicznych. Kolejne odkrycia przyniósł przełom wieków XIX i XX, kiedy to Thomson odkrył elektron w 1897 r., a Rutherford jądro atomowe w 1911 r. Kolejnymi kamieniami milowymi były odkrycia protonu w 1919 r. przez Rutherforda i neutronu w 1932 r. przez Chadwicka. Wszystkie te odkrycia doprowadziły do powstania nowoczesnej teorii atomu, w którym elektrony krążą wokół jądra atomowego złożonego z protonów i neutronów, określanych wspólnym mianem nukleonów.

Początek lat 50-tych przyniósł gwałtowny rozwój technik akceleracyjnych i detektorowych. Wysiłek ten zaowocował odkryciem wielu nowych cząstek, które należało sklasyfikować. Właśnie wtedy Gell-Mann i Zweig zaproponowali niezależnie od siebie koncepcje kwarków, których istnienie w 1968 r. potwierdził eksperyment przeprowadzony w Centrum Stanforda SLAC. Nowa teoria opisująca oddziaływanie pomiędzy kwarkami wymagała tzw. nośnika, który nazwano gluonem. Jego istnienie potwierdzono w 1979 r. w niemieckim ośrodku DESY. Tak narodziła się powszechnie akceptowana teoria opisująca wewnętrzną strukturę nukleonów. Do dnia dzisiejszego kwarki i gluony określamy wspólnym mianem partonów - termin zaproponował Feynman do opisu wyników eksperymentu SLAC.

Atrybuty kwarków i gluonów, takie jak ładunek czy spin, determinują otaczający nas świat. Są cegiełkami (podstawowymi stopniami swobody), które składają się na własności materii. Na przykład, ładunek elektryczny protonu jest równy “+1”, ponieważ trzy wyróżnione w nim kwarki (tzw. kwarki walencyjne) to dwa kwarki “górne” o ładunku 2/3 i jeden kwark “dolny” o ładunku -1/3, co łącznie daje 2/3 + 2/3 + (-1/3) = +1. Neutron z kolei posiada tylko jeden kwark “górny”, ale dwa kwarki “dolne”, co daje 2/3 + (-1/3) + (-1/3) = 0, czyniąc go cząstką elektrycznie obojętną.

Pytania dotyczące pochodzenia ładunków elektrycznych nukleonów są bez wątpienia ważne, ale nie jedyne. Inne pytania jakimi jesteśmy zainteresowani to m. in: ile gluonów i wirtualnych par kwark-antykwark znajduje się w pojedynczym nukleonie? Jakie są ich pędy? Jakie jest ich położenie w przestrzeni? Czy są one rozłożone równomiernie (izotropowo), czy może partony grupują się w skupiska (klastry)? Czy położenie partonów zmienia się pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego? W końcu, jakie jest ciśnienie wewnątrz nukleonu? Czy jest ono podobne do np. ciśnienia wewnątrz gwiazd neutronowych, czy może bardziej do tego wewnątrz kropli deszczu? Pomimo znaczącego postępu w zrozumieniu struktury materii, a w szczególności struktury protonu, znalezienie odpowiedzi na te i podobne pytania wciąż pozostaje jednym z głównych wyzwań przed którymi stoi współczesna fizyka cząstek.

Teoria, którą fizycy posługują się do opisu struktury materii w języku kwarków i gluonów nosi nazwę chromodynamiki kwantowej (ang. quantum chromodynamics, QCD). Jest to teoria dająca narzędzia służące do odpowiedzi na wszystkie wyżej wymienione pytania. QCD opisuje tzw. oddziaływania silne, których nośnikiem są gluony. Na przykład dwa kwarki mogą wymienić między sobą gluon. W ten sposób kwarki “komunikują się”, dzięki czemu mogą zmieniać swoje właściwości, np. wymieniać pęd. Co ciekawe, w QCD nośniki oddziaływania (gluony) mogą oddziaływać same ze sobą. Ta cecha jest charakterystyczna dla tej teorii i czyni obliczenia teoretyczne znacznie bardziej zawikłanymi w stosunku do np. elektrodynamiki kwantowej (ang. quantum electrodynamics, QED) opisującej oddziaływania cząstek elektrycznie naładowanych.

Chromodynamika kwantowa definiuje różne typy rozkładów partonów. Rozkłady w fizyce opisują sposób uporządkowania (rozmieszczenia) wartości danej wielkości fizycznej. Na przykład roczny rozkład temperatury otrzymamy mierząc ją w danym miejscu przez cały rok. Rozkład ten możemy użyć do prognozowania (predykcji) temperatury w tym miejscu w kolejnych latach. Rozkłady, którymi zajmuję się w mojej pracy noszą nazwę uogólnionych rozkładów partonów (ang. generalised partons distributions, GPDs). Wyjaśniając w najprostszych słowach można powiedzieć, że rozkłady te opisują związek pomiędzy pędem kwarków i gluonów, i zmianę tego pędu wraz ze zmianą pędu nukleonu. Rozkłady GPD pozwalają m. in. na tomografię nukleonu, w której badamy położenie kwarków i gluonów w zależności od niesionego pędu.

Tomografia ujawnia prawdziwą naturę nukleonów: są to obiekty przestrzenne i nieelementarne (złożone z innych cząstek). Inną ważną cechą rozkładów GPD jest ich związek z tensorem energii-pędu będącym matematycznym obiektem opisującym gęstość oraz przepływ tych wielkości fizycznych w czasoprzestrzeni. Związek ten może przyczynić się do rozwiązania tzw. zagadki spinowej, która powstała pod koniec lat osiemdziesiątych ubiegłego wieku wraz z wynikami uzyskanymi w eksperymencie EMC w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN. Zagadka ta pojawia się, gdy próbujemy wyjaśnić jak kwarki i gluony opisują spin protonu. Związek rozkładu GPD z tensorem energii-pędu można wykorzystać także do wyznaczenia własności „mechanicznych”, takich jak rozkłady ciśnienia wewnątrz nukleonu.

Program badawczy, który realizuję w Zakładzie Fizyki Teoretycznej Narodowego Centrum Badań Jądrowych wspólnie ze współpracownikami i partnerami zagranicznymi, służy kompleksowemu badaniu rozkładów GPD. W ramach tego program rozwijamy teoretyczny opis procesów, w których można mierzyć rozkłady GPD, ale także modelujemy te rozkłady w oparciu o dane eksperymentalne. Zagadnieniom tym poświecona została seria prac (wymienionych poniżej), w których m. in. został opracowany tomograficzny obraz nukleonu i podjęta została krytyka dotychczasowych prób wyznaczenia jego własności “mechanicznych”. W analizach wykorzystaliśmy klasyczne metody modelowania, ale także elementy uczenia maszynowego, takie jak np. sieci neuronowe i algorytmy genetyczne. Jednym z elementów mojej pracy jest także rozwój platformy PARTONS (http://partons.cea.fr), która jest narzędziem do wymiany wiedzy i doświadczenia między teoretykami i eksperymentatorami zajmującymi się tematyką GPD. Projekt ten jest ważny z punktu widzenia obecnych i przyszłych doświadczeń wyznaczających GPD, w szczególności dla projektu przyszłego zderzacza elektron-jon (ang. electron-ion collider, EIC), który w najbliższej dekadzie powstanie w Stanach Zjednoczonych.

Eur. Phys. J. C78 (2018) 11, 890; Eur. Phys. J. C79 (2019) 7, 614; Eur. Phys. J. C80 (2020) 2, 171; wysłane do Eur. Phys. J. C, arXiv: 2101.03855