Las partículas elementales de la nueva física teórica deben ser tan masivas que su detección en el LHC, el acelerador moderno más grande, no será posible. Ésta es la conclusión pesimista de la revisión más completa de datos de observación de muchos experimentos científicos y su confrontación con varias variedades populares de teoría de la supersimetría. Lo complicado análisis extremadamente exigentes desde el punto de vista computacional, llevada a cabo por la Colaboración internacional GAMBIT, deja una sombra de esperanza para los investigadores.

GAMBIT es la herramienta de inferencia global y modular más allá del modelo estándar. Los investigadores ahora se preguntan si es posible que el LHC detecte las partículas elementales propuestas para explicar misterios como la naturaleza de la materia oscura y la falta de simetría entre la materia y la antimateria. Para responder a esta pregunta, GAMBIT analiza exhaustivamente los datos recopilados durante las ejecuciones del LHC. Los primeros resultados, que son bastante intrigantes para los físicos, acaban de ser publicados en el Revista Física Europea C . El Instituto de Física Nuclear de la Academia de Ciencias de Polonia (FIP PAN) en Cracovia participó en el trabajo del equipo.

Los físicos teóricos están convencidos de que el modelo estándar, la corriente, teoría bien verificada de la estructura de la materia, necesita ser ampliado. Un fuerte indicador de la existencia de partículas elementales desconocidas son los movimientos de las estrellas en las galaxias. El astrónomo polaco Marian Kowalski fue el primero en investigar las características estadísticas de estos movimientos. En 1859, descubrió que los movimientos de las estrellas cercanas a nosotros no pueden explicarse por el movimiento del sol mismo. Este fue el primer indicio de la rotación de la Vía Láctea (Kowalski es, por tanto, el hombre que "movió toda la galaxia desde sus cimientos"). En 1933, el astrofísico suizo Fritz Zwicky dio el siguiente paso. De su observación de galaxias en el cúmulo de Coma, concluyó que se mueven alrededor de los cúmulos como si hubiera una gran cantidad de materia invisible allí.

Aunque ha pasado casi un siglo desde el descubrimiento de Zwicky, todavía no es posible investigar la composición de la materia oscura, ni siquiera para confirmar inequívocamente su existencia. Durante este período, Los teóricos han construido muchas extensiones del Modelo Estándar que contienen partículas que son en mayor o menor medida exóticas. Muchos de estos son candidatos a la materia oscura. La familia de teorías supersimétricas es popular, por ejemplo. Aquí, ciertos nuevos equivalentes de partículas conocidas que son masivas e interactúan débilmente con la materia ordinaria constituyen materia oscura. Naturalmente, muchos grupos de físicos experimentales también están buscando rastros de esta nueva física. Cada uno de ellos, basado en supuestos teóricos, lleva a cabo un determinado proyecto de investigación, y luego se ocupa del análisis y la interpretación de los datos que se derivan de él. Esto casi siempre se hace en el contexto de uno, generalmente bastante estrecho, campo de la física, y una teoría de lo que podría estar más allá del Modelo Estándar.

"La idea de GAMBIT Collaboration es crear herramientas para analizar datos de tantos experimentos como sea posible, de diferentes áreas de la física, y compararlos muy de cerca con las predicciones de nuevas teorías. Mirando de manera integral, es posible reducir las áreas de búsqueda de nueva física mucho más rápido, y con el tiempo también eliminar aquellos modelos cuyas predicciones no han sido confirmadas en mediciones, "explica el Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

La idea de construir un conjunto de herramientas de software modulares para el análisis global de datos de observación de experimentos físicos surgió en 2012 en Melbourne durante una conferencia internacional sobre física de altas energías. En la actualidad, el grupo GAMBIT incluye a más de 30 investigadores de instituciones científicas en Australia, Francia, España, Los países bajos, Canadá, Noruega, Polonia, los Estados Unidos, Suiza, Suecia y Gran Bretaña. El Dr. Chrzaszcz se unió al equipo de GAMBIT hace tres años con el fin de desarrollar herramientas para modelar la física de quarks masivos, con especial referencia a los quarks de belleza (por lo general, este campo de la física tiene un nombre mucho más pegadizo:física de sabor fuerte).

La verificación de las nuevas propuestas de física se lleva a cabo en la Colaboración GAMBIT de la siguiente manera:Los científicos eligen un modelo teórico y lo integran en el software. Luego, el programa escanea los valores de los principales parámetros del modelo. Para cada conjunto de parámetros, las predicciones se calculan y comparan con los datos de los experimentos.

"En la práctica, aquí nada es trivial. Hay modelos en los que tenemos hasta 128 parámetros libres. Imagínese escanear en un espacio de 128 dimensiones; es algo que mata a todas las computadoras. Por lo tanto, al principio, nos limitamos a tres versiones de modelos supersimétricos más simples, conocido bajo las abreviaturas CMSSM, NUHM1 y NUHM2. Tienen cinco seis y siete parámetros libres, respectivamente. Sin embargo, las cosas se complican porque, por ejemplo, solo conocemos algunos de los otros parámetros del Modelo Estándar con cierta precisión. Por lo tanto, también deben tratarse como parámetros libres, solo cambiando en menor medida que los nuevos parámetros físicos, "dice el Dr. Chrzaszcz.

La escala del desafío se demuestra mejor por el tiempo total necesario para todos los cálculos de la Colaboración GAMBIT hasta la fecha. Fueron realizados en la supercomputadora Prometheus, una de las computadoras más rápidas del mundo. El dispositivo, operando en el Centro Académico de Computación CYFRONET de la Universidad de Ciencia y Tecnología en Cracovia, tiene más de 53, 000 núcleos de procesamiento y una potencia informática total de 2, 399 teraflops (un millón de millones de operaciones de punto flotante por segundo). A pesar del uso de equipos tan poderosos, el tiempo total de trabajo de los núcleos en la Colaboración GAMBIT ascendió a 80 millones de horas (más de 9, 100 años).

"Estos cálculos tan largos son, entre otras cosas, una consecuencia de la diversidad de los datos medidos. Por ejemplo, Los grupos de los principales experimentos del LHC publican exactamente los resultados que midieron los detectores. Pero cada detector distorsiona lo que ve de alguna manera. Antes de comparar los datos con las predicciones del modelo que se está verificando, las distorsiones introducidas por el detector deben eliminarse de ellos, "explica el Dr. Chrzaszcz, y agrega, "Por el lado de la astrofísica, tenemos que realizar un procedimiento similar. Por ejemplo, deberían realizarse simulaciones sobre cómo los nuevos fenómenos físicos afectarían el comportamiento del halo galáctico de materia oscura ".

Para los buscadores de nueva física, la Colaboración GAMBIT no trae las mejores noticias. Los análisis sugieren que si existen las partículas supersimétricas predichas por los modelos estudiados, sus masas deben ser del orden de muchos teraelectronvoltios (en física de partículas, la masa de las partículas se da en unidades de energía, un electronvoltio corresponde a la energía necesaria para desplazar el electrón entre puntos con una diferencia de potencial de un voltio). En la práctica, esto significa que ver tales partículas en el LHC será muy difícil o incluso imposible. Pero también hay una sombra de esperanza. Algunas superpartículas, neutralinos, charginos, staus y se detiene, aunque teniendo masas bastante grandes, no exceda de un teraelectronvoltio. Con un poco de suerte su detección en el LHC sigue siendo posible. Desafortunadamente, en este grupo, solo el neutralino se considera un candidato potencial para la materia oscura.

A diferencia de muchas otras herramientas de investigación analítica, Los códigos de todos los módulos GAMBIT están disponibles públicamente en el sitio web del proyecto y pueden adaptarse rápidamente al análisis de nuevos modelos teóricos. Los investigadores de la Colaboración GAMBIT esperan que la apertura del código acelere la búsqueda de nueva física.