Usando algunas de las supercomputadoras más poderosas del mundo, Un equipo internacional que incluye científicos de varios laboratorios nacionales del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) ha publicado el cálculo de la más alta precisión de una propiedad fundamental de los protones y neutrones conocida como acoplamiento axial de nucleones. Esta cantidad determina la fuerza de la interacción que desencadena la desintegración de los neutrones en protones y, por lo tanto, puede usarse para predecir con mayor precisión cuánto tiempo se espera que "vivan" los neutrones. Los resultados aparecen en Naturaleza .

"El hecho de que los neutrones se desintegran en protones es muy, hecho muy importante en el universo, "dijo Enrico Rinaldi, un investigador postdoctoral especial en el Centro de Investigación RIKEN BNL en el Laboratorio Nacional Brookhaven del DOE, que participó en el desarrollo de simulaciones esenciales para el nuevo cálculo. "Básicamente te dice cómo se crearon los núcleos atómicos, hechos de protones y neutrones, después del Big Bang".

La vida útil de los neutrones también influye en la abundancia relativa de átomos como el hidrógeno y el helio en el universo actual. y cómo ese equilibrio afectará la formación de futuras estrellas.

El nuevo cálculo también podría ayudar a los científicos a determinar cuál de los dos enfoques para medir experimentalmente la vida útil de los neutrones es más preciso y si la discrepancia de varios segundos entre los dos podría apuntar a la existencia de partículas aún por descubrir.

El esfuerzo para calcular el acoplamiento axial, dirigido por André Walker-Loud del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del DOE (Berkeley Lab), usó recursos informáticos en el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore y la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge (OLCF), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en el Laboratorio Nacional Oak Ridge del DOE.

"Este fue un proyecto intenso de dos años y medio que solo se logró gracias al gran equipo de personas que trabaja en él, "Dijo Walker-Loud.

Detalles de la desintegración de neutrones

Cuando piensas en los átomos que componen el material de nuestro mundo actual, probablemente piense en los neutrones como relativamente estables. Un escritorio de madera hecho de muchos átomos de carbono, por ejemplo, no parece deteriorarse de manera apreciable.

Pero si extrajo un neutrón aislado de uno de esos átomos de carbono, se transformaría en un protón, de media, en menos de 15 minutos.

El proceso que hace que esto suceda es una interacción mecánica cuántica entre partículas externas llamadas bosones W con los componentes internos del neutrón, conocidos como quarks y gluones. Esta interacción cambia la identidad de uno de los quarks constituyentes y, por lo tanto, la identidad general de la partícula.

Pero esa es una imagen demasiado simplista, Dijo Rinaldi. "Eso es lo que sucedería a una energía muy alta donde podemos aproximar los quarks y gluones como objetos libres".

En el mundo real, a menor energía, los quarks y gluones están confinados, o unidos dentro de partículas como protones y neutrones, Rinaldi explicó. Y esos quarks y gluones interactúan fuertemente entre sí de innumerables formas.

"No podemos decir exactamente cuáles son las velocidades y posiciones de todos los constituyentes dentro del neutrón. Es un paquete mecánico cuántico de quarks y gluones y las interacciones entre ellos, ", Dijo Rinaldi. La fuerza de la interacción del bosón W que desencadena la desintegración del neutrón depende de un valor determinado por la suma compuesta de todas esas interacciones internas.

"Lo que ve el bosón W es la constante de acoplamiento axial del nucleón, un número que parametriza todas las interacciones que el bosón W podría tener con los constituyentes dentro del neutrón, "Dijo Rinaldi.

Ejecutando el experimento de supercomputación

Para calcular la constante de acoplamiento axial, o g? A, Los físicos utilizan poderosas supercomputadoras para resolver las ecuaciones de la cromodinámica cuántica (QCD):la teoría de la fuerza nuclear fuerte, que gobierna cómo interactúan los quarks y los gluones. Se puede considerar que estas ecuaciones complejas contienen más de un millón de variables que explican todas las posibles interacciones dentro del microcosmos de un neutrón. Serían imposibles de resolver sin una técnica conocida como celosía QCD. Lattice QCD coloca las partículas en puntos discretos en una cuadrícula imaginaria de espacio-tiempo de cuatro dimensiones (tres dimensiones espaciales más tiempo) para calcular todas las posibles interacciones de partículas adyacentes una por una, y luego los combina en un resultado final.

La parte computacional general es bastante sencilla, Rinaldi dijo:nuevamente enfatizando que esta es una vista muy simplificada:"Tienes una computadora y un código que resuelve las ecuaciones. Ejecutas el código en la computadora, hacer análisis, y extraer el resultado. Es como hacer un experimento porque hay muchos pasos y partes, análogos a un acelerador de partículas, sus detectores, las colisiones, y la recopilación de datos, y tenemos que controlar cada uno de estos pasos ".

Una de las funciones de Rinaldi era crear entradas para el "experimento", una serie de simulaciones que incluían cada una una masa diferente para el neutrón. Inflar artificialmente la masa del neutrón facilita el trabajo con las ecuaciones, él explicó.

"Los algoritmos se vuelven cada vez más difíciles de usar, requiriendo más tiempo de computación para resolver, mientras intenta analizar lo que sucede en el mundo real. Tendríamos enormes barras de error. Pero si cambia artificialmente la entrada a las ecuaciones, hace que los neutrones sean más masivos, eso hace que sea más fácil de calcular. Podemos obtener un resultado muy preciso para cada uno de estos cálculos a masas más altas, y luego juntar los resultados para extrapolarlos a las condiciones del mundo real, " él dijo.

Reducir el ruido para extraer la señal.

Pero cambiar la entrada solo puede hacer mucho. El mayor salto en precisión del equipo dirigido por el laboratorio de Berkeley (en relación con otros grupos que han utilizado métodos similares para calcular g? A) provino de las mejoras en el "detector" del experimento, "Dijo Rinaldi.

El equipo estaba interesado en las propiedades del neutrón, él explicó. Pero las interacciones de la mecánica cuántica de quarks y gluones también pueden generar "estados excitados" que parecen neutrones pero no son neutrones. Esos estados excitados generan "ruido" que contamina la señal. El equipo de Berkeley Lab descubrió cómo filtrar el ruido para producir un resultado que, por primera vez, logró el umbral de precisión del uno por ciento que es un estándar de oro para los cálculos de celosía QCD.

"Al medir el acoplamiento axial, la relación señal-ruido se degrada exponencialmente cuanto más tiempo viaja el neutrón, "dijo Chia Cheng" Jason "Chang, un postdoctorado en Berkeley Lab que dirigió el análisis. "Todos los cálculos anteriores se realizaron en medio de este entorno más ruidoso".

"Encontramos una manera de extraer la medición antes de que el ruido se haga cargo y arruine el experimento, "Dijo Rinaldi.

Los científicos ya han utilizado el nuevo cálculo de acoplamiento axial de nucleones para derivar una predicción puramente teórica de la vida útil del neutrón. Ahora, este nuevo valor es consistente con los resultados de ambos tipos de medición experimental, que difieren en tan solo 9 segundos.

"Tenemos un número para la vida útil de los neutrones:14 minutos y 40 segundos con una barra de error de 14 segundos. Eso está justo en el medio de los valores medidos por los dos tipos de experimentos, con una barra de error que es grande y se superpone a ambos, "Dijo Rinaldi.

Con más estadísticas de supercomputadoras más potentes, el equipo de investigación espera reducir el margen de incertidumbre a alrededor del 0,3 por ciento. "Ahí es donde realmente podemos comenzar a discriminar entre los resultados de los dos métodos experimentales diferentes para medir la vida útil de los neutrones, ", Dijo Chang." Esa es siempre la parte más emocionante:cuando la teoría tiene algo que decir sobre el experimento ".

Por último, Rinaldi dijo:Este y otros cálculos habilitados por la técnica computacional del equipo podrían mejorar nuestra comprensión de los protones y neutrones, y ayudar a responder otras preguntas importantes sobre física nuclear, materia oscura, y la naturaleza del universo.