Fire års beregninger fører til ny indsigt i muon -anomali

For to årtier siden, et eksperiment ved det amerikanske energiministerium (DOE) Brookhaven National Laboratory pegede på en mystisk uoverensstemmelse mellem etableret partikelfysikkteori og faktiske laboratoriemålinger. Da forskere målte adfærden for en subatomær partikel kaldet muon, resultaterne stemte ikke overens med teoretiske beregninger, udgør en potentiel udfordring for standardmodellen - vores nuværende forståelse af, hvordan universet fungerer.

Lige siden dengang, forskere rundt om i verden har forsøgt at verificere denne uoverensstemmelse og bestemme dens betydning. Svaret kunne enten opretholde standardmodellen, som definerer alle de kendte subatomære partikler og hvordan de interagerer, eller introducere muligheden for en helt uopdaget fysik. Et multiinstitutionelt forskerhold (herunder Brookhaven, Columbia University, og universiteterne i Connecticut, Nagoya og Regensburg, RIKEN) har brugt Argonne National Laboratory's Mira -supercomputer til at hjælpe med at indsnævre de mulige forklaringer på uoverensstemmelsen, leverer en ny præcis teoretisk beregning, der forfiner et stykke af dette meget komplekse puslespil. Arbejdet, delvis finansieret af DOE's Office of Science gennem sit Office of High Energy Physics og Advanced Scientific Computing Research -programmer, er blevet offentliggjort i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

En muon er en tungere version af elektronen og har den samme elektriske ladning. Den pågældende måling er af muons magnetiske moment, som definerer, hvordan partiklen vakler, når den interagerer med et eksternt magnetfelt. Det tidligere Brookhaven -eksperiment, kendt som Muon g-2, undersøgte muoner, da de interagerede med en elektromagnetlagring med en diameter på 50 fod. De eksperimentelle resultater afviger fra den værdi, som teorien forudsiger med en ekstremt lille mængde målt i dele pr. Million, men inden for standardmodellen, sådan en forskel er stor nok til at være bemærkelsesværdig.

"Hvis du tager højde for usikkerheder i både beregningerne og målingerne, vi kan ikke se, om dette er en reel uoverensstemmelse eller bare en statistisk udsving, sagde Thomas Blum, en fysiker ved University of Connecticut, der var medforfatter til papiret. "Så både eksperimentelle og teoretikere forsøger at forbedre skarpheden af ​​deres resultater."

Som Taku Izubuchi, en fysiker ved Brookhaven Lab, der er medforfatter på papiret, bemærkede, "Fysikere har forsøgt at forstå muons unormale magnetiske moment ved at sammenligne præcise teoretiske beregninger og nøjagtige eksperimenter siden 1940'erne. Denne arbejdssekvens har ført til mange opdagelser inden for partikelfysik og fortsætter med at udvide grænserne for vores viden og evner inden for både teori og eksperiment. "

Hvis uoverensstemmelsen mellem eksperimentelle resultater og teoretiske forudsigelser faktisk er reel, det ville betyde en anden faktor-måske en partikel, der endnu ikke er opdaget-får muonen til at opføre sig anderledes end forventet, og standardmodellen skulle revideres.

Teamets arbejde koncentrerede sig om et notorisk vanskeligt aspekt af anomalien, der involverede den stærke kraft, som er en af ​​fire grundlæggende kræfter i naturen, der styrer, hvordan partikler interagerer, sammen med svage, elektromagnetisk, og tyngdekraft. De største usikkerheder i muonberegningerne kommer fra partikler, der interagerer gennem den stærke kraft, kendt som hadronic -bidrag. Disse hadroniske bidrag er defineret af en teori kaldet quantum chromodynamics (QCD).

Forskerne brugte en metode kaldet gitter QCD til at analysere en type hadronic bidrag, lys-for-lys spredning. "For at foretage beregningen, vi simulerer kvantefeltet i en lille kubikboks, der indeholder den lys-for-lys-spredningsproces, vi er interesseret i, "sagde Luchang Jin, en fysiker ved University of Connecticut og medforfatter af papir. "Vi kan let ende med millioner af tid og rum i simuleringen."

Det var her Mira kom ind. Teamet brugte supercomputeren, placeret på Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), at løse de komplekse matematiske ligninger af QCD, som koder for alle mulige stærke interaktioner med muonen. ALCF, en DOE Office of Science brugerfacilitet, for nylig pensioneret Mira for at give plads til den mere kraftfulde Aurora -supercomputer, et exascale -system planlagt til at ankomme i 2021.

"Mira var ideel til dette arbejde, "sagde James Osborn, en beregningsforsker med ALCF og Argonne's Computational Science division. "Med næsten 50, 000 noder forbundet med et meget hurtigt netværk, Vores massivt parallelle system gjorde det muligt for teamet at køre store simuleringer meget effektivt. "

Efter fire års løbende beregninger på Mira, forskerne producerede det første resultat nogensinde for det hadroniske lys-for-lys-spredningsbidrag til det muon anomale magnetiske moment, kontrol for alle fejl.

"I lang tid, mange mennesker troede dette bidrag, fordi det var så udfordrende, ville forklare uoverensstemmelsen, "Sagde Blum." Men vi fandt ud af, at tidligere skøn ikke var langt væk, og at den reelle værdi ikke kan forklare uoverensstemmelsen. "

I mellemtiden, en ny version af Muon g-2-eksperimentet er i gang på Fermi National Accelerator Laboratory, med det formål at reducere usikkerheden på den eksperimentelle side med en faktor fire. Disse resultater vil tilføre mere indsigt i det teoretiske arbejde, der udføres nu.

"Så vidt vi ved, uoverensstemmelsen står stadig "Blum sagde." Vi venter på at se, om resultaterne tilsammen peger på ny fysik, eller om den nuværende standardmodel stadig er den bedste teori, vi har til at forklare naturen. "