Mire más profundamente en el corazón del átomo de lo que permite cualquier microscopio y los científicos plantean la hipótesis de que encontrará un mundo rico de partículas entrando y saliendo del vacío, descomponiéndose en otras partículas y aumentando la rareza del mundo visible.Las partículas subatómicas se rigen por la naturaleza cuántica del Universo y encuentran una forma física tangible en los resultados experimentales.
Algunas partículas subatómicas se descubrieron por primera vez hace más de un siglo con experimentos relativamente simples. Sin embargo, más recientemente, el esfuerzo por comprender estas partículas ha dado lugar a los experimentos más grandes, ambiciosos y complejos del mundo, incluidos los de laboratorios de física de partículas comola Organización Europea para la Investigación Nuclear CERN en Europa, Fermilab en Illinois y la Organización de Investigación Aceleradora de Alta Energía KEK en Japón.
Estos experimentos tienen la misión de expandir nuestra comprensión del Universo, caracterizado de manera más armoniosa en el Modelo Estándar de física de partículas; y mirar más allá del Modelo Estándar para la física aún desconocida.
"El Modelo Estándar explica gran parte de lo que observamos en física nuclear y de partículas elementales, pero deja muchas preguntas sin respuesta", dijo Steven Gottlieb, profesor distinguido de Física en la Universidad de Indiana. "Estamos tratando de desentrañar el misterio de lo quese encuentra más allá del modelo estándar ".
Desde el comienzo del estudio de la física de partículas, los enfoques experimentales y teóricos se han complementado entre sí en el intento de comprender la naturaleza. En las últimas cuatro o cinco décadas, la computación avanzada se ha convertido en una parte importante de ambos enfoques. Se han realizado grandes avancesSe ha realizado para comprender el comportamiento del zoológico de partículas subatómicas, incluidos los bosones especialmente el bosón de Higgs recientemente buscado y descubierto recientemente, varios sabores de quarks, gluones, muones, neutrinos y muchos estados hechos de combinaciones de quarks o anti-quarks enlazados.juntos.
La teoría cuántica de campos es el marco teórico a partir del cual se construye el modelo estándar de física de partículas. Combina la teoría de campos clásica, la relatividad especial y la mecánica cuántica, desarrollada con contribuciones de Einstein, Dirac, Fermi, Feynman y otros. Dentro del estándarEl modelo, cromodinámica cuántica, o QCD, es la teoría de la fuerte interacción entre quarks y gluones, las partículas fundamentales que forman algunas de las partículas compuestas más grandes, como el protón, el neutrón y el pión.
MIRANDO A TRAVÉS DEL LATTICE
Carleton DeTar y Steven Gottlieb son dos de los principales eruditos contemporáneos de la investigación de QCD y practicantes de un enfoque conocido como celosía QCD. Lattice QCD representa el espacio continuo como un conjunto discreto de puntos espaciotemporales llamado celosía. Utiliza supercomputadoras para estudiarlas interacciones de los quarks y, lo que es más importante, para determinar con mayor precisión varios parámetros del modelo estándar, reduciendo así las incertidumbres en sus predicciones. Es un enfoque lento y que requiere muchos recursos, pero ha demostrado tener una amplia aplicabilidad, lo que brinda información sobre partes dela teoría es inaccesible por otros medios, en particular las fuerzas explícitas que actúan entre quarks y antiquarks.
DeTar y Gottlieb son parte de la colaboración MIMD Lattice Computation MILC y trabajan muy de cerca con Fermilab Lattice Collaboration en la gran mayoría de su trabajo. También trabajan con la colaboración High Precision QCD HPQCD para el estudio de lamuon momento magnético anómalo. Como parte de estos esfuerzos, utilizan las supercomputadoras más rápidas del mundo.
Desde 2019, han utilizado Frontera en el Texas Advanced Computing Center TACC, la supercomputadora académica más rápida del mundo y la novena más rápida en general, para impulsar su trabajo. Se encuentran entre los mayores usuarios de ese recurso, queestá financiado por la National Science Foundation. El equipo también utiliza Summit en el Oak Ridge National Laboratory la supercomputadora n. ° 2 más rápida del mundo; Cori en el National Energy Research Scientific Computing Center n. ° 20 y Stampede2 n. ° 25en TACC, para los cálculos de celosía.
Los esfuerzos de la comunidad de QCD de celosía durante décadas han aportado una mayor precisión a las predicciones de partículas a través de una combinación de computadoras más rápidas y algoritmos y metodologías mejorados.
"Podemos hacer cálculos y hacer predicciones con alta precisión sobre cómo funcionan las interacciones fuertes", dijo DeTar, profesor de Física y Astronomía en la Universidad de Utah. "Cuando comencé como estudiante de posgrado a fines de la década de 1960, algunos de nuestroslas mejores estimaciones estuvieron dentro del 20 por ciento de los resultados experimentales. Ahora podemos obtener respuestas con una precisión inferior al porcentaje ".
En física de partículas, el experimento físico y la teoría viajan en conjunto, se informan entre sí, pero a veces producen resultados diferentes. Estas diferencias sugieren áreas de mayor exploración o mejora.
"Hay algunas tensiones en estas pruebas", dijo Gottlieb, profesor distinguido de Física en la Universidad de Indiana. "Las tensiones no son lo suficientemente grandes como para decir que hay un problema aquí; el requisito habitual es de al menos cinco desviaciones estándar.Pero significa que o haces la teoría y experimentas con más precisión y encuentras que la concordancia es mejor; o lo haces y descubres: 'Espera un minuto, ¿cuál era la tensión de tres sigma ahora es una tensión de desviación estándar de cinco, y tal vez?realmente tenemos evidencia de una nueva física '".
DeTar llama a estas pequeñas discrepancias entre la teoría y el experimento 'tentadoras'. "Pueden estar diciendo algo".
En los últimos años, DeTar, Gottlieb y sus colaboradores han seguido los caminos de los quarks y antiquarks con una resolución cada vez mayor a medida que se mueven a través de una nube de fondo de gluones y pares virtuales de quark-antiquark, según lo prescrito precisamente por QCD.Los resultados del cálculo se utilizan para determinar cantidades físicamente significativas como masas de partículas y desintegraciones.
Uno de los enfoques actuales de vanguardia que aplican los investigadores utiliza el llamado formalismo de quarks escalonados altamente mejorado HISQ para simular interacciones de quarks con gluones. En Frontera, DeTar y Gottlieb están simulando actualmentecon un espaciado de celosía de 0.06 femtómetros 10-15 metros, pero se están acercando rápidamente a su objetivo final de 0.03 femtómetros, una distancia donde el espaciado de celosía es menor que la longitud de onda del quark más pesado, lo que elimina una fuente significativa de incertidumbre deestos cálculos.
Sin embargo, cada duplicación de la resolución requiere aproximadamente dos órdenes de magnitud más de potencia de cálculo, lo que coloca un espaciado de celosía de 0.03 femtómetros firmemente en el régimen de 'exaescala' que se acerca rápidamente.
"Los costos de los cálculos siguen aumentando a medida que reduce el espaciado de celosía", dijo DeTar. "Para un espaciado de celosía más pequeño, estamos pensando en las futuras máquinas del Departamento de Energía y en la Instalación de Computación de Clase de Liderazgo [el futuro sistema de planificación de TACC]. Pero ahora podemos conformarnos con extrapolaciones ".
EL MOMENTO MAGNÉTICO ANÓMALO DEL MUON Y OTROS MISTERIOS PENDIENTES
Entre los fenómenos que DeTar y Gottlieb están abordando está el momento magnético anómalo del muón esencialmente un electrón pesado, que, en la teoría cuántica de campos, surge de una nube débil de partículas elementales que rodea al muón. El mismo tipode la nube afecta la desintegración de las partículas.Los teóricos creen que las partículas elementales aún no descubiertas podrían estar en esa nube.
Una gran colaboración internacional llamada Iniciativa de la Teoría Muon g-2 revisó recientemente el estado actual del cálculo del Modelo Estándar del momento magnético anómalo del muón. Su revisión apareció en informes de física en diciembre de 2020. DeTar, Gottlieb y varios de sus colaboradores de Fermilab Lattice, HPQCD y MILC se encuentran entre los coautores. Hallan una diferencia de desviación estándar de 3.7 entre el experimento y la teoría.
. ".. los procesos que fueron importantes en la primera instancia del Universo involucran las mismas interacciones con las que estamos trabajando aquí. Por lo tanto, los misterios que estamos tratando de resolver en el microcosmos pueden muy bien proporcionar respuestas a lamisterios en la escala cosmológica también. "
Carleton DeTar, profesor de física, Universidad de Utah Si bien algunas partes de las contribuciones teóricas se pueden calcular con extrema precisión, las contribuciones hadrónicas la clase de partículas subatómicas que se componen de dos o tres quarks y participan en interacciones fuertes sonson los más difíciles de calcular y son responsables de casi toda la incertidumbre teórica. Lattice QCD es una de las dos formas de calcular estas contribuciones.
"La incertidumbre experimental pronto se reducirá hasta en un factor de cuatro por el nuevo experimento que se está ejecutando actualmente en Fermilab, y también por el futuro experimento J-PARC", escribieron. "Esto y las perspectivas de reducir aún más la teoríaincertidumbre en el futuro cercano ... hacen de esta cantidad uno de los lugares más prometedores para buscar evidencia de nueva física ".
Gottlieb, DeTar y colaboradores han calculado la contribución hadrónica al momento magnético anómalo con una precisión del 2,2 por ciento. "Esto nos da la confianza de que nuestro objetivo a corto plazo de lograr una precisión del 1 por ciento en la contribución hadrónica al muón anómaloEl momento magnético es ahora realista ", dijo Gottlieb. La esperanza de lograr una precisión del 0,5 por ciento unos años más tarde.
Otros indicios 'tentadores' de la nueva física implican mediciones de la desintegración de los mesones B. Allí, varios métodos experimentales llegan a resultados diferentes. "Las propiedades de desintegración y las mezclas de los mesones D y B son fundamentales para una determinación más precisa de variosde los parámetros menos conocidos del Modelo Estándar ", dijo Gottlieb." Nuestro trabajo es mejorar las determinaciones de las masas de los quarks up, down, strange, charm e bottom y cómo se mezclan en decaimientos débiles ".descrita por la llamada matriz de mezcla CKM por la que Kobayashi y Maskawa ganaron el Premio Nobel de Física 2008.
Las respuestas que buscan DeTar y Gottlieb son las más fundamentales en la ciencia: ¿de qué está hecha la materia y de dónde viene?
"El Universo está muy conectado de muchas maneras", dijo DeTar. Queremos entender cómo comenzó el Universo. El entendimiento actual es que comenzó con el Big Bang. Y los procesos que fueron importantes en la primera instancia de laEl universo implica las mismas interacciones con las que estamos trabajando aquí. Por lo tanto, los misterios que estamos tratando de resolver en el microcosmos pueden muy bien proporcionar respuestas a los misterios en la escala cosmológica también ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Texas en Austin, Centro de Computación Avanzada de Texas . Original escrito por Aaron Dubrow. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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