På udkig efter antydninger til ny fysik i den subatomære verden

Se dybere ind i atomets hjerte, end noget mikroskop tillader, og forskere antager, at du vil finde en rig verden af ​​partikler, der springer ind og ud af vakuumet, henfalder til andre partikler, og tilføjer den underlige i den synlige verden. Disse subatomære partikler styres af universets kvante natur og finder håndgribelige, fysisk form i eksperimentelle resultater.

Nogle subatomære partikler blev først opdaget for over et århundrede siden med relativt enkle eksperimenter. For nylig, imidlertid, bestræbelsen på at forstå disse partikler har affødt de største, mest ambitiøse og komplekse eksperimenter i verden, herunder laboratorier på partikelfysiklaboratorier som f.eks. European Organization for Nuclear Research (CERN) i Europa Fermilab i Illinois, og High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Japan.

Disse eksperimenter har en mission om at udvide vores forståelse af universet, karakteriseret mest harmonisk i standardmodellen for partikelfysik; og at se ud over standardmodellen for endnu ukendt fysik.

"Standardmodellen forklarer så meget af det, vi observerer i elementarpartikel- og atomfysik, men det efterlader mange spørgsmål ubesvarede, "sagde Steven Gottlieb, fremstående professor i fysik ved Indiana University. "Vi forsøger at afdække mysteriet om, hvad der ligger ud over standardmodellen."

Lige siden begyndelsen af ​​studiet af partikelfysik, eksperimentelle og teoretiske tilgange har suppleret hinanden i forsøget på at forstå naturen. I de sidste fire til fem årtier har avanceret computing er blevet en vigtig del af begge tilgange. Der er gjort store fremskridt med at forstå adfærden i zoologiske haver for subatomære partikler, herunder bosoner (især den længe søgte og nyligt opdagede Higgs boson), forskellige varianter af kvarker, gluoner, muons, neutrinoer og mange stater fremstillet af kombinationer af kvarker eller anti-kvarker bundet sammen.

Kvantfeltteori er den teoretiske ramme, hvorfra standardmodellen for partikelfysik er konstrueret. Det kombinerer klassisk feltteori, særlig relativitet og kvantemekanik, udviklet med bidrag fra Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, og andre. Inden for standardmodellen, kvantekromodynamik, eller QCD, er teorien om det stærke samspil mellem kvarker og gluoner, de grundlæggende partikler, der udgør nogle af de større sammensatte partikler, såsom protonen, neutron og pion.

Kigger gennem gitteret

Carleton DeTar og Steven Gottlieb er to af de førende samtidige forskere i QCD -forskning og praktiserer en tilgang kendt som gitter QCD. Gitter QCD repræsenterer kontinuerligt rum som et diskret sæt rumtidspunkter (kaldet gitteret). Det bruger supercomputere til at studere interaktioner mellem kvarker, og vigtigere, for mere præcist at bestemme flere parametre i standardmodellen, derved reducerer usikkerheden i dens forudsigelser. Det er en langsom og ressourcekrævende tilgang, men det har vist sig at have bred anvendelighed, giver indsigt i dele af teorien, der er utilgængelige på andre måder, især de eksplicitte kræfter, der virker mellem kvarker og antikvarker.

DeTar og Gottlieb er en del af MIMD Lattice Computation (MILC) -samarbejdet og arbejder meget tæt sammen med Fermilab Lattice Collaboration om langt størstedelen af ​​deres arbejde. De arbejder også med High Precision QCD (HPQCD) Collaboration til undersøgelse af det muon anomale magnetiske moment. Som en del af disse bestræbelser, de bruger de hurtigste supercomputere i verden.

Siden 2019 har de har brugt Frontera på Texas Advanced Computing Center (TACC) - den hurtigste akademiske supercomputer i verden og den 9. hurtigste samlet set - til at drive deres arbejde frem. De er blandt de største brugere af denne ressource, som er finansieret af National Science Foundation. Teamet bruger også Summit på Oak Ridge National Laboratory (verdens hurtigste supercomputer nr. 2); Cori på National Energy Research Scientific Computing Center (#20), og Stampede2 (#25) på TACC, til gitterberegningerne.

GCD -fællesskabets indsats gennem årtier har bragt større nøjagtighed til partikelforudsigelser gennem en kombination af hurtigere computere og forbedrede algoritmer og metoder.

"Vi kan lave beregninger og forudsige med høj præcision, hvor stærke interaktioner virker, "sagde DeTar, professor i fysik og astronomi ved University of Utah. "Da jeg begyndte som kandidatstuderende i slutningen af ​​1960'erne, nogle af vores bedste skøn lå inden for 20 procent af eksperimentelle resultater. Nu kan vi få svar med sub-procents nøjagtighed. "

I partikelfysik, fysisk eksperiment og teorirejser i tandem, informere hinanden, men nogle gange giver det forskellige resultater. Disse forskelle tyder på områder med yderligere efterforskning eller forbedring.

"Der er nogle spændinger i disse tests, "sagde Gottlieb, fremstående professor i fysik ved Indiana University. "Spændingerne er ikke store nok til at sige, at der er et problem her - det sædvanlige krav er mindst fem standardafvigelser. Men det betyder, at enten gør du teorien og eksperimentet mere præcist og finder ud af, at aftalen er bedre; eller også gør du det og du finder ud af, 'Vent et øjeblik, hvad var den tre sigma spænding er nu en fem standardafvigelse spænding, og måske har vi virkelig beviser for ny fysik. '"

DeTar kalder disse små uoverensstemmelser mellem teori og eksperiment 'pirrende'. "De fortæller os måske noget."

I løbet af de sidste mange år har DeTar, Gottlieb og deres samarbejdspartnere har fulgt kvarkers og antikvarks veje med en stadig større opløsning, når de bevæger sig gennem en baggrundssky af gluoner og virtuelle kvark-antikvark-par, som foreskrevet præcist af QCD. Beregningsresultaterne bruges til at bestemme fysisk meningsfulde mængder, såsom partikelmasser og henfald.

En af de nuværende state-of-the-art tilgange, som forskerne anvender, anvender den såkaldte stærkt forbedrede forskudte kvark (HISQ) formalisme til at simulere interaktioner mellem kvarker og gluoner. På Frontera, DeTar og Gottlieb simulerer i øjeblikket med en gitterafstand på 0,06 femtometer (10 ^-15 meter), men de nærmer sig hurtigt deres ultimative mål om 0,03 femtometer, en afstand, hvor gitterafstanden er mindre end bølgelængden af ​​den tungeste kvark, følgelig fjernelse af en betydelig kilde til usikkerhed fra disse beregninger.

Hver fordobling af opløsning, imidlertid, kræver omkring to størrelsesordener mere computerkraft, sætte en 0,03 femtometer gitterafstand fast i det hurtigt nærende 'exascale' regime.

"Beregningsomkostningerne bliver ved med at stige, når du gør gitterafstanden mindre, "Sagde DeTar." For mindre gitterafstand, vi tænker på fremtidens Institut for Energimaskiner og Leadership Class Computing Facility [TACC's fremtidige system i planlægning]. Men vi kan nøjes med ekstrapolationer nu. "

Muonens unormale magnetiske øjeblik og andre fremragende mysterier

Blandt de fænomener, som DeTar og Gottlieb tackler, er muons unormale magnetiske moment (i det væsentlige en tung elektron) - som, i kvantefeltteori, stammer fra en svag sky af elementarpartikler, der omgiver muonen. Den samme slags sky påvirker partikelforfald. Teoretikere mener, at endnu uopdagede elementarpartikler potentielt kan være i denne sky.

Et stort internationalt samarbejde kaldet Muon g-2 Theory Initiative har for nylig gennemgået den nuværende status for standardmodelberegningen af ​​muons unormale magnetiske moment. Deres anmeldelse optrådte i Fysikrapporter i december 2020. DeTar, Gottlieb og flere af deres Fermilab -gitter, HPQCD- og MILC -samarbejdspartnere er blandt medforfatterne. De finder en standardafvigelse på 3,7 mellem eksperiment og teori.

"... de processer, der var vigtige i den tidligste forekomst af universet, involverer de samme interaktioner, som vi arbejder med her. Så, de mysterier, vi forsøger at løse i mikrokosmos, kan meget vel også give svar på mysterierne på den kosmologiske skala. "

Carleton DeTar, Professor i fysik, University of Utah Mens nogle dele af de teoretiske bidrag kan beregnes med ekstrem nøjagtighed, hadroniske bidrag (klassen af ​​subatomære partikler, der består af to eller tre kvarker og deltager i stærke interaktioner) er de sværeste at beregne og er ansvarlige for næsten al den teoretiske usikkerhed. Gitter QCD er en af ​​to måder at beregne disse bidrag på.

"Den eksperimentelle usikkerhed vil snart blive reduceret med op til en faktor fire af det nye eksperiment, der i øjeblikket kører på Fermilab, og også ved det fremtidige J-PARC-eksperiment, "skrev de." Dette og udsigterne til yderligere at reducere den teoretiske usikkerhed i den nærmeste fremtid ... gør denne mængde til et af de mest lovende steder at lede efter tegn på ny fysik. "

Gottlieb, DeTar og samarbejdspartnere har beregnet det hadroniske bidrag til det unormale magnetiske moment med en præcision på 2,2 procent. "Dette giver os tillid til, at vores kortsigtede mål om at nå en præcision på 1 procent på det hadroniske bidrag til det muon-uregelmæssige magnetiske øjeblik nu er et realistisk mål, "Sagde Gottlieb. De håber at opnå en præcision på 0,5 procent et par år senere.

Andre 'pirrende' antydninger af ny fysik involverer målinger af B -mesons forfald. Der, forskellige eksperimentelle metoder når frem til forskellige resultater. "Forfaldsegenskaberne og blandingerne af D- og B-mesonerne er afgørende for en mere præcis bestemmelse af flere af de mindst kendte parametre i standardmodellen, "Sagde Gottlieb." Vores arbejde er at forbedre bestemmelserne for masserne i oplandet, ned, mærkelig, charme og bundkvarker og hvordan de blander sig under svage forfald. "Blandingen er beskrevet af den såkaldte CKM-blandingsmatrix, som Kobayashi og Maskawa vandt Nobelprisen i fysik i 2008.

Svarene DeTar og Gottlieb søger er de mest grundlæggende inden for videnskaben:Hvad består stof af? Og hvor kom det fra?

"Universet er meget forbundet på mange måder, "sagde DeTar." Vi vil forstå, hvordan universet begyndte. Den nuværende forståelse er, at det begyndte med Big Bang. Og de processer, der var vigtige i den tidligste forekomst af universet, involverer de samme interaktioner, som vi arbejder med her. Så, de mysterier, vi forsøger at løse i mikrokosmos, kan meget vel også give svar på mysterierne på den kosmologiske skala. "