Højpræcisionsberegninger på supercomputere hjælper med at afsløre universets fysik

På deres søgen efter at afdække, hvad universet er lavet af, forskere ved det amerikanske energiministerium (DOE) Argonne National Laboratory udnytter supercomputers magt til at forudsige partikelinteraktioner, der er mere præcise end nogensinde før.

Argonne -forskere har udviklet en ny teoretisk tilgang, ideel til højtydende computersystemer, der er i stand til at foretage forudsigelige beregninger om partikelinteraktioner, der næsten præcist er i overensstemmelse med eksperimentelle data. Denne nye tilgang kunne give forskere et værdifuldt redskab til at beskrive ny fysik og partikler ud over dem, der i øjeblikket er identificeret.

Rammen laver forudsigelser baseret på standardmodellen, teorien, der beskriver universets fysik efter vores bedste viden. Forskere er nu i stand til at sammenligne eksperimentelle data med forudsigelser genereret gennem denne ramme, at potentielt afdække uoverensstemmelser, der kan indikere eksistensen af ​​ny fysik ud over standardmodellen. En sådan opdagelse ville revolutionere vores forståelse af naturen på de mindste målbare længdeskalaer.

"Indtil nu, Standardmodellen for partikelfysik har haft stor succes med at beskrive de partikelinteraktioner, vi har set eksperimentelt, men vi ved, at der er ting, som denne model ikke beskriver fuldstændigt. Vi kender ikke hele teorien, "sagde Argonne -teoretikeren Radja Boughezal, der udviklede rammerne med sit team.

"Det første trin i at opdage den fulde teori og nye modeller indebærer at lede efter afvigelser med hensyn til den fysik, vi kender lige nu. Vores håb er, at der er afvigelse, fordi det ville betyde, at der er noget, vi ikke forstår derude, " hun sagde.

Den teoretiske metode udviklet af Argonne -teamet er i øjeblikket ved at blive implementeret på Mira, en af ​​de hurtigste supercomputere i verden, som har til huse på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Brug af Mira, forskere anvender de nye rammer til at analysere produktionen af ​​manglende energi i forbindelse med en jet, en partikelinteraktion af særlig interesse for forskere ved Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.

Fysikere ved LHC forsøger at producere nye partikler, der vides at eksistere i universet, men som endnu ikke er set i laboratoriet, såsom det mørke stof, der udgør en fjerdedel af universets masse og energi.

Selvom forskere i dag ikke har mulighed for direkte at observere mørkt stof - deraf dets navn - mener de, at mørkt stof kan efterlade et "manglende energifodspor" i kølvandet på en kollision, der kan indikere tilstedeværelsen af ​​nye partikler, der ikke er inkluderet i standardmodellen. Disse partikler ville interagere meget svagt og undslippe derfor påvisning ved LHC. Tilstedeværelsen af ​​en "jet", en spray af standardmodelpartikler, der stammer fra protonernes sammenbrud ved LHC, ville mærke tilstedeværelsen af ​​det ellers usynlige mørke stof.

I LHC -detektorer, imidlertid, produktionen af ​​en bestemt form for interaktion-kaldet Z-boson plus jet-processen-kan efterligne den samme signatur som det potentielle signal, der ville opstå fra endnu ukendte partikler i mørkt stof. Boughezal og hendes kolleger bruger deres nye rammer til at hjælpe LHC-fysikere med at skelne mellem Z-boson plus jet-signaturen forudsagt i standardmodellen fra andre potentielle signaler.

Tidligere forsøg med mindre præcise beregninger til at skelne mellem de to processer havde så meget usikkerhed, at de simpelthen ikke var nyttige til at kunne tegne de fine matematiske skel, der potentielt kunne identificere et nyt mørkt stofsignal.

"Det er kun ved at beregne Z-boson plus jet-processen meget præcist, at vi kan afgøre, om signaturen virkelig er, hvad standardmodellen forudsiger, eller om dataene angiver tilstedeværelsen af ​​noget nyt, "sagde Frank Petriello, en anden Argonne -teoretiker, der hjalp med at udvikle rammerne. "Denne nye ramme åbner døren for at bruge Z-boson plus jetproduktion som et værktøj til at opdage nye partikler ud over standardmodellen."

Ansøgninger om denne metode går langt ud over undersøgelser af Z-boson plus jet. Rammen vil ikke kun påvirke forskning på LHC, men også undersøgelser af fremtidige kolliderere, som vil blive mere og mere præcise, data af høj kvalitet, Sagde Boughezal og Petriello.

"Disse eksperimenter er blevet så præcise, og eksperimentelle er nu i stand til at måle tingene så godt, at det er blevet nødvendigt at have disse typer værktøjer med høj præcision for at forstå, hvad der foregår i disse kollisioner, "Sagde Boughezal.

"Vi er også så heldige at have supercomputere som Mira, for nu er det øjeblik, hvor vi har brug for disse kraftfulde maskiner for at opnå det præcisionsniveau, vi leder efter; uden dem, dette arbejde ville ikke være muligt. "