En su búsqueda para descubrir de qué está hecho el universo, Los investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) están aprovechando el poder de las supercomputadoras para hacer predicciones sobre las interacciones de las partículas que son más precisas que nunca.

Los investigadores de Argonne han desarrollado un nuevo enfoque teórico, ideal para sistemas informáticos de alto rendimiento, que es capaz de realizar cálculos predictivos sobre interacciones de partículas que se ajustan casi exactamente a los datos experimentales. Este nuevo enfoque podría brindar a los científicos una herramienta valiosa para describir nuevas físicas y partículas más allá de las identificadas actualmente.

El marco hace predicciones basadas en el modelo estándar, la teoría que describe la física del universo a nuestro leal saber y entender. Los investigadores ahora pueden comparar datos experimentales con predicciones generadas a través de este marco, para descubrir potencialmente discrepancias que podrían indicar la existencia de nueva física más allá del Modelo Estándar. Tal descubrimiento revolucionaría nuestra comprensión de la naturaleza en las escalas de longitud medibles más pequeñas.

"Hasta aquí, el modelo estándar de física de partículas ha tenido mucho éxito al describir las interacciones de partículas que hemos visto experimentalmente, pero sabemos que hay cosas que este modelo no describe completamente. No conocemos la teoría completa "dijo la teórica de Argonne Radja Boughezal, quien desarrolló el marco con su equipo.

"El primer paso para descubrir la teoría completa y los nuevos modelos implica buscar desviaciones con respecto a la física que conocemos en este momento. Nuestra esperanza es que haya desviación, porque significaría que hay algo que no entendemos ahí fuera, " ella dijo.

El método teórico desarrollado por el equipo de Argonne se está implementando actualmente en Mira, una de las supercomputadoras más rápidas del mundo, que se encuentra en Argonne Leadership Computing Facility, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.

Usando Mira, los investigadores están aplicando el nuevo marco para analizar la producción de energía faltante en asociación con un jet, una interacción de partículas de particular interés para los investigadores del Gran Colisionador de Hadrones (LHC) en Suiza.

Los físicos del LHC están intentando producir nuevas partículas que se sabe que existen en el universo pero que aún no se han visto en el laboratorio. como la materia oscura que comprende una cuarta parte de la masa y la energía del universo.

Aunque los científicos actualmente no tienen forma de observar la materia oscura directamente (de ahí su nombre), creen que la materia oscura podría dejar una "huella de energía faltante" a raíz de una colisión que podría indicar la presencia de nuevas partículas no incluidas en el Modelo Estándar. Estas partículas interactuarían muy débilmente y, por lo tanto, escaparían a la detección en el LHC. La presencia de un "jet", una pulverización de partículas del modelo estándar que surgen de la ruptura de los protones que chocan en el LHC, etiquetaría la presencia de la materia oscura que de otro modo sería invisible.

En los detectores del LHC, sin embargo, la producción de un tipo particular de interacción, llamado proceso del bosón Z más el chorro, puede imitar la misma firma que la señal potencial que surgiría de las partículas de materia oscura aún desconocidas. Boughezal y sus colegas están utilizando su nuevo marco para ayudar a los físicos del LHC a distinguir entre el bosón Z más la firma del jet predicha en el Modelo Estándar de otras señales potenciales.

Los intentos anteriores que utilizaban cálculos menos precisos para distinguir los dos procesos tenían tanta incertidumbre que simplemente no eran útiles para poder trazar las sutiles distinciones matemáticas que podrían potencialmente identificar una nueva señal de materia oscura.

"Solo calculando el proceso del bosón Z más el jet con mucha precisión podemos determinar si la firma es realmente lo que predice el Modelo Estándar, o si los datos indican la presencia de algo nuevo, "dijo Frank Petriello, otro teórico de Argonne que ayudó a desarrollar el marco. "Este nuevo marco abre la puerta al uso del bosón Z más la producción de chorros como herramienta para descubrir nuevas partículas más allá del Modelo Estándar".

Las aplicaciones de este método van mucho más allá de los estudios del bosón Z plus jet. El marco tendrá un impacto no solo en la investigación en el LHC, sino también estudios en futuros colisionadores que tendrán cada vez más precisión, datos de alta calidad, Dijeron Boughezal y Petriello.

"Estos experimentos se han vuelto tan precisos, y los experimentadores ahora pueden medir las cosas tan bien, que se hace necesario tener este tipo de herramientas de alta precisión para comprender qué está sucediendo en estas colisiones, "Dijo Boughezal.

"También somos muy afortunados de tener supercomputadoras como Mira porque ahora es el momento en el que necesitamos estas potentes máquinas para lograr el nivel de precisión que estamos buscando; sin ellas, este trabajo no sería posible ".