Ny beregning forfiner sammenligning af stof med antistof

Et internationalt samarbejde mellem teoretiske fysikere – herunder forskere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Brookhaven National Laboratory (BNL) og RIKEN-BNL Research Center (RBRC) – har offentliggjort en ny beregning, der er relevant for søgningen efter en forklaring på overvægten. af stof over antistof i vores univers. Samarbejdet, kendt som RBC-UKQCD, omfatter også forskere fra CERN (det europæiske partikelfysiklaboratorium), Columbia University, University of Connecticut, University of Edinburgh, Massachusetts Institute of Technology, Universitetet i Regensburg, og University of Southampton. De beskriver deres resultat i et papir, der skal publiceres i tidsskriftet Fysisk gennemgang D og er blevet fremhævet som et "redaktørforslag".

Forskere observerede først en lille forskel i opførsel af stof og antistof - kendt som en krænkelse af "CP-symmetri" - mens de studerede henfaldet af subatomære partikler kaldet kaoner i et nobelprisvindende eksperiment på Brookhaven Lab i 1963. Mens standardmodellen for partikelfysik blev stykket sammen kort efter det, forståelse af, om den observerede CP-overtrædelse i kaon-henfald, der er aftalt med standardmodellen, har vist sig at være uhåndgribelig på grund af kompleksiteten af ​​de påkrævede beregninger.

Den nye beregning giver en mere præcis forudsigelse for sandsynligheden for, at kaoner henfalder til et par elektrisk ladede pioner vs. et par neutrale pioner. At forstå disse henfald og sammenligne forudsigelsen med nyere state-of-the-art eksperimentelle målinger foretaget på CERN og DOE's Fermi National Accelerator Laboratory giver forskerne en måde at teste for små forskelle mellem stof og antistof, og søg efter effekter, der ikke kan forklares med standardmodellen.

Den nye beregning repræsenterer en væsentlig forbedring i forhold til koncernens tidligere resultat, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve i 2015. Baseret på standardmodellen, det giver en række værdier for det, der kaldes "direkte CP-symmetriovertrædelse" i kaon-henfald, der stemmer overens med de eksperimentelt målte resultater. Det betyder, at den observerede CP-overtrædelse er nu, så vidt vi ved, forklaret med standardmodellen, men usikkerheden i forudsigelsen skal forbedres yderligere, da der også er mulighed for at afsløre eventuelle kilder til stof/antistof-asymmetri, der ligger hinsides den nuværende teoris beskrivelse af vores verden.

"En endnu mere præcis teoretisk beregning af Standardmodellen kan endnu ligge uden for det eksperimentelt målte område. Det er derfor af stor betydning, at vi fortsætter vores fremskridt, og forfine vores beregninger, så vi kan give en endnu stærkere test af vores grundlæggende forståelse, " sagde Brookhaven Lab-teoretiker Amarjit Soni.

Materie/antistof ubalance

"Behovet for en forskel mellem stof og antistof er indbygget i den moderne teori om kosmos, " sagde Norman Christ fra Columbia University. "Vores nuværende forståelse er, at det nuværende univers blev skabt med næsten lige store mængder stof og antistof. Bortset fra de små effekter, der bliver undersøgt her, stof og antistof bør være identiske på alle måder, ud over konventionelle valg, såsom at tildele negativ ladning til en partikel og positiv ladning til dens anti-partikel. En vis forskel i, hvordan disse to typer partikler fungerer, må have vendt balancen for at favorisere stof frem for antistof, " han sagde.

"Enhver forskel i stof og antistof, der er blevet observeret til dato, er alt for svag til at forklare overvægten af ​​stof fundet i vores nuværende univers, ", fortsatte han. "At finde en væsentlig uoverensstemmelse mellem en eksperimentel observation og forudsigelser baseret på standardmodellen ville potentielt pege vejen til nye mekanismer for partikelinteraktioner, der ligger uden for vores nuværende forståelse - og som vi håber at finde for at hjælpe med at forklare denne ubalance. ."

Modellering af kvark-interaktioner

Alle de eksperimenter, der viser en forskel mellem stof og antistof involverer partikler lavet af kvarker, de subatomære byggesten, der binder sig gennem den stærke kraft for at danne protoner, neutroner, og atomkerner - og også mindre velkendte partikler som kaoner og pioner.

"Hver kaon og pion er lavet af en kvark og en antikvark, omgivet af en sky af virtuelle kvark-antikvark-par, og bundet sammen af ​​kraftbærere kaldet gluoner, " forklarede Christopher Kelly, fra Brookhaven National Laboratory.

De standardmodelbaserede beregninger af, hvordan disse partikler opfører sig, skal derfor omfatte alle mulige interaktioner mellem kvarkerne og gluonerne, som beskrevet af den moderne teori om stærke interaktioner, kendt som kvantekromodynamik (QCD).

Ud over, disse bundne partikler bevæger sig tæt på lysets hastighed. Det betyder, at beregningerne også skal omfatte relativitetsprincipperne og kvanteteorien, som styrer sådanne nærlys-hastighedspartikelinteraktioner.

"På grund af det enorme antal involverede variabler, disse er nogle af de mest komplicerede beregninger i hele fysikken, " bemærkede Tianle Wang, fra Columbia University.

Beregningsmæssig udfordring

For at overvinde udfordringen, teoretikerne brugte en beregningsmetode kaldet gitter QCD, som "placerer" partiklerne på et firedimensionalt rum-tidsgitter (tre rumlige dimensioner plus tid). Dette kasselignende gitter giver dem mulighed for at kortlægge alle mulige kvantestier for den indledende kaon til at henfalde til de sidste to pioner. Resultatet bliver mere nøjagtigt, efterhånden som antallet af gitterpunkter øges. Wang bemærkede, at "Feynman-integralet" for den her rapporterede beregning involverede integration af 67 millioner variabler!

Disse komplekse beregninger blev udført ved at bruge banebrydende supercomputere. Den første del af arbejdet, generere prøver eller snapshots af de mest sandsynlige kvark- og gluonfelter, blev udført på supercomputere i USA, Japan, og Storbritannien. Det andet og mest komplekse trin til at udvinde de faktiske kaon-henfaldsamplituder blev udført på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science brugerfacilitet ved DOE's Lawrence Berkeley National Laboratory.

Men at bruge de hurtigste computere er ikke nok; disse beregninger er stadig kun mulige, selv på disse computere, når der bruges meget optimerede computerkoder, udviklet til beregningen af ​​forfatterne.

"Nøjagtigheden af ​​vores resultater kan ikke øges væsentligt ved blot at udføre flere beregninger, " sagde Kelly. "I stedet, for at stramme vores test af Standardmodellen skal vi nu overvinde en række mere fundamentale teoretiske udfordringer. Vores samarbejde har allerede gjort betydelige fremskridt med at løse disse problemer og kombineret med forbedringer i beregningsteknikker og kraften i nær fremtid DOE-supercomputere, vi forventer at opnå meget forbedrede resultater inden for de næste tre til fem år."