Forudsiger egenskaberne af subatomiske partikler ved hjælp af computersimuleringer i stor skala

At forudsige egenskaberne af subatomære partikler inden deres eksperimentelle opdagelse har været en stor udfordring for fysikere. I en nylig artikel offentliggjort den 28. juli i Fysisk gennemgangsbreve Nilmani Mathur fra Tata Institute of Fundamental Research, Mumbai, og M. Padmanath, en tidligere elev fra TIFR, har forudsagt kvantetalene på fem Ω ⁰ _c baryoner, som for nylig er blevet opdaget ved et forsøg på Large Hadron Collider (LHCb -samarbejdet) på CERN. Disse resultater vil hjælpe med at forstå arten af ​​stærke interaktioner i universet.

En baryon er en sammensat subatomær partikel lavet af tre valenskvarker og er bundet af gluoner gennem stærke interaktioner. Den mest kendte baryon er protonen, der sammen med en elektron udgør et hydrogenatom. Et forenklet billede af en proton er en kombination af to op -kvarker og en ned -kvark. I teorien om stærke interaktioner er der seks kvarker hver med tre farveladninger. Denne teori tillader enhver kombination af en kvark og en anti-kvark samt enhver kombination af tre kvarker i en farveneutral tilstand, hvilket resulterer i sorter af subatomære partikler kaldet mesoner og baryoner, henholdsvis. Opdagelsen af ​​mange mesoner og baryoner siden midten af ​​det 20. århundrede, har spillet en afgørende rolle for at forstå arten af ​​stærke interaktioner. Det forventes, at mange andre mesoner og baryoner vil blive opdaget i igangværende forsøg på CERN og fremtidige eksperimenter med høj energi.

Disse nyligt opdagede baryoner kaldes Ω ⁰ _c lavet af to mærkelige kvarker og en charmekvark. Disse er de ophidsede tilstande for Ω ⁰ _c baryon, meget gerne hydrogenatomets ophidsede tilstande.

Quantum Chromodynamics (QCD), som menes at være teorien om stærke interaktioner, er en meget ikke-lineær teori og kan kun løses analytisk ved meget høje energier, hvor styrken af ​​interaktioner er ganske lille. Indtil dato er der ingen analytisk løsning af QCD for at opnå egenskaberne af subatomære partikler, som protonen og Ω _c . Dette kræver den numeriske implementering af QCD på rumtidsgitter, der er kendt som gitter QCD (LQCD). LQCD -metoder kan beskrive spektret af subatomære partikler og også deres egenskaber, som forfaldskonstanter. LQCD spiller også en afgørende rolle i forståelsen af ​​stof under høj temperatur og tæthed, der ligner tilstanden i de tidlige stadier af universet.

I dette arbejde forudsagde Padmanath og Nilmani kvantetallene for disse nyopdagede Ω ⁰ _c baryoner, som ellers var ukendte eksperimentelt. Faktisk, Padmanaths afhandling forudsagde masserne af disse partikler fire år før deres opdagelse. Ved hjælp af state-of-the-art metoder til LQCD og beregningsressourcer fra Institut for Teoretisk Fysik og Indian Lattice Gauge Theory Initiative (ILGTI), de udførte en præcis og systematisk bestemmelse af energier og kvantetal for tårnet af spændte Ω -tilstande ⁰ _c baryoner. Deres forudsagte resultater sammenlignes med eksperimentelle fund (se tabel). Forudsagt kvantetal af disse partikler vil hjælpe med at forstå egenskaberne af disse partikler, hvilket igen vil hjælpe med at forstå arten af ​​stærke interaktioner.

Siden 2001 har Nilmani og hans samarbejdspartnere forudsagt masser af forskellige andre subatomære partikler med forskelligt kvarkindhold, hvoraf nogle allerede er blevet opdaget (efter at de var forudsagt) og mange andre formodentlig vil blive opdaget i fremtidige forsøg. For eksempel, deres forudsigelse af massen af ​​Ξ _cc baryon (en baryon lavet af to charmekvarker og en let kvark) allerede i 2001 og så sent som 2014 blev bekræftet af opdagelsen af ​​denne partikel den 6. juli, 2017, af LHCb -samarbejdet.

Nilmani og Padmanath sammen med andre teoretiske fysikere ved TIFR studerer i øjeblikket egenskaberne ved forskellige subatomære partikler, især dem lavet af tunge kvarker, ved hjælp af computersimuleringer i stor skala. De bruger beregningsfaciliteterne på ILGTIs højtydende computercenter på Balloon Facility, Hyderabad, som er vært for en Cray -supercomputer. Resultaterne af deres arbejde vil hjælpe med at forstå arten af ​​stærke interaktioner i universet.