GAMBIT-projektet antyder, at teoretiske partikler er for massive til LHC-detektion

Elementarpartiklerne i ny teoretisk fysik skal være så massive, at deres påvisning i LHC, den største moderne accelerator, vil ikke være muligt. Dette er den pessimistiske konklusion på den mest omfattende gennemgang af observationsdata fra mange videnskabelige eksperimenter og deres konfrontation med flere populære varianter af supersymmetriteori. Det komplicerede, ekstremt beregningskrævende analyse, udført af det internationale GAMBIT Collaboration, efterlader en skygge af håb for forskere.

GAMBIT er det globale og modulære Beyond-the-Standard-Model Inference Tool. Forskere stiller nu spørgsmålstegn ved, om det er muligt for LHC at opdage de elementære partikler, der er foreslået for at forklare sådanne mysterier som naturen af ​​mørkt stof og manglen på symmetri mellem stof og antistof. For at besvare dette spørgsmål, GAMBIT analyserer omfattende data indsamlet under LHC-kørsler. De første resultater, som er ret spændende for fysikere, er netop blevet offentliggjort i European Physical Journal C . Instituttet for kernefysik ved det polske videnskabsakademi (IFJ PAN) i Krakow deltog i holdets arbejde.

Teoretiske fysikere er overbeviste om, at standardmodellen, den nuværende, velverificeret teori om strukturen af ​​stof, skal udvides. En stærk peger på eksistensen af ​​ukendte elementarpartikler er stjernernes bevægelser i galakser. Den polske astronom Marian Kowalski var den første til at undersøge disse bevægelsers statistiske karakteristika. I 1859, han opdagede, at stjernernes bevægelser tæt på os ikke kan forklares med selve solens bevægelse. Dette var den første indikation af Mælkevejens rotation (Kowalski er således manden, der "flyttede hele galaksen fra dens fundament"). I 1933, den schweiziske astrofysiker Fritz Zwicky tog det næste skridt. Fra hans observation af galakser i Coma-hoben, han konkluderede, at de bevæger sig rundt i klyngerne, som om der var en stor mængde usynligt stof der.

Selvom der er gået næsten et århundrede siden Zwickys opdagelse, det er stadig ikke muligt at undersøge sammensætningen af ​​mørkt stof, heller ikke entydigt at bekræfte dens eksistens. I løbet af denne periode, teoretikere har konstrueret mange udvidelser af Standardmodellen indeholdende partikler, der i større eller mindre grad er eksotiske. Mange af disse er kandidater til mørkt stof. Familien af ​​supersymmetriske teorier er populær, for eksempel. Her, visse nye ækvivalenter af kendte partikler, der er massive og vekselvirker svagt med almindeligt stof, udgør mørkt stof. Naturligt, mange grupper af eksperimentelle fysikere leder også efter spor af en sådan ny fysik. Hver af dem, baseret på teoretiske antagelser, udfører et bestemt forskningsprojekt, og beskæftiger sig derefter med analyse og fortolkning af data, der strømmer fra det. Dette gøres næsten altid i forbindelse med en, normalt ret smal, inden for fysik, og en teori for, hvad der kan være hinsides standardmodellen.

"Idéen med GAMBIT Collaboration er at skabe værktøjer til at analysere data fra så mange eksperimenter som muligt, fra forskellige områder af fysikken, og at sammenligne dem meget tæt med forudsigelserne fra nye teorier. Ser man udførligt, det er muligt at indsnævre søgeområderne for ny fysik meget hurtigere, og med tiden også eliminere de modeller, hvis forudsigelser ikke er blevet bekræftet i målinger, " forklarer Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

Ideen til at bygge et sæt modulære softwareværktøjer til den globale analyse af observationsdata fra fysiske eksperimenter opstod i 2012 i Melbourne under en international konference om højenergifysik. I øjeblikket, GAMBIT-gruppen omfatter mere end 30 forskere fra videnskabelige institutioner i Australien, Frankrig, Spanien, Holland, Canada, Norge, Polen, De Forenede Stater, Schweiz, Sverige og Storbritannien. Dr. Chrzaszcz sluttede sig til GAMBIT-teamet for tre år siden for at udvikle værktøjer til at modellere fysikken i massive kvarker, med særlig henvisning til skønhedskvarker (normalt har dette fysikområde et meget mere iørefaldende navn:tung smagsfysik).

Verifikation af de nye fysikforslag finder sted i GAMBIT-samarbejdet som følger:Forskere vælger en teoretisk model og bygger den ind i softwaren. Programmet scanner derefter værdierne for de vigtigste modelparametre. For hvert sæt parametre, forudsigelser beregnes og sammenlignes med data fra eksperimenterne.

"I praksis, intet er trivielt her. Der er modeller, hvor vi har hele 128 gratis parametre. Forestil dig at scanne i et rum med 128 dimensioner – det er noget, der dræber enhver computer. Derfor, i begyndelsen, vi begrænsede os til tre versioner af enklere supersymmetriske modeller, kendt under forkortelserne CMSSM, NUHM1 og NUHM2. De har fem, seks og syv frie parametre, henholdsvis. Men tingene bliver alligevel komplicerede, fordi, for eksempel, vi kender kun nogle af standardmodellens andre parametre med en vis nøjagtighed. Derfor, de skal også behandles som gratis parametre, kun ændres i mindre grad end de nye fysikparametre, " siger Dr. Chrzaszcz.

Udfordringens omfang demonstreres bedst af den samlede tid, der er taget for alle beregningerne af GAMBIT-samarbejdet til dato. De blev udført på Prometheus supercomputer, en af ​​de hurtigste computere i verden. Enheden, opererer på det akademiske computercenter CYFRONET ved University of Science and Technology i Krakow, har over 53, 000 processorkerner og en samlet computerkraft på 2, 399 teraflops (en million millioner flydende kommaoperationer i sekundet). På trods af brugen af ​​så kraftigt udstyr, den samlede arbejdstid for kernerne i GAMBIT-samarbejdet beløb sig til 80 millioner timer (over 9, 100 år).

"Så lange beregninger er, blandt andet, en konsekvens af mangfoldigheden af ​​de målte data. For eksempel, grupper fra hovedforsøgene på LHC offentliggør præcis de resultater, detektorerne målte. Men hver detektor forvrænger, hvad den ser på en eller anden måde. Før vi sammenligner dataene med forudsigelserne for den model, der verificeres, de forvrængninger, som detektoren har indført, skal fjernes fra dem, " forklarer Dr Chrzaszcz, og tilføjer, "På den astrofysiske side, vi skal udføre en lignende procedure. For eksempel, simuleringer bør udføres af, hvordan nye fysikfænomener ville påvirke adfærden af ​​den galaktiske halo af mørkt stof."

For søgere af ny fysik, GAMBIT-samarbejdet bringer ikke de bedste nyheder. Analyserne tyder på, at hvis de supersymmetriske partikler forudsagt af de undersøgte modeller eksisterer, deres masser skal være af størrelsesordenen mange teraelektronvolt (i partikelfysik er massen af ​​partikler angivet i energienheder, en elektronvolt svarer til den energi, der er nødvendig for at flytte elektronen mellem punkter med en potentialforskel på en volt). I praksis, det betyder, at det enten vil være meget svært eller endda umuligt at se sådanne partikler ved LHC. Men der er også en skygge af håb. Et par superpartikler, neutralinos, charginos, staus og stop, selvom de har ret store masser, ikke overstige en teraelektronvolt. Med lidt held, deres påvisning i LHC forbliver mulig. Desværre, i denne gruppe, kun neutralinoen betragtes som en potentiel kandidat til mørkt stof.

I modsætning til mange andre analytiske forskningsværktøjer, Koderne for alle GAMBIT-modulerne er offentligt tilgængelige på projektets hjemmeside og kan hurtigt tilpasses til analyse af nye teoretiske modeller. Forskere fra GAMBIT Collaboration håber, at kodens åbenhed vil fremskynde søgen efter ny fysik.