Hace dos décadas un experimento en el Laboratorio Nacional de Brookhaven del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE) señaló una misteriosa falta de coincidencia entre la teoría establecida de la física de partículas y las mediciones de laboratorio reales. Cuando los investigadores midieron el comportamiento de una partícula subatómica llamada muón, los resultados no concuerdan con los cálculos teóricos, planteando un desafío potencial para el Modelo Estándar:nuestra comprensión actual de cómo funciona el universo.

Desde entonces, Los científicos de todo el mundo han estado tratando de verificar esta discrepancia y determinar su importancia. La respuesta podría mantener el modelo estándar, que define todas las partículas subatómicas conocidas y cómo interactúan, o introducir la posibilidad de una física completamente desconocida. Un equipo de investigación multiinstitucional (que incluye Brookhaven, Universidad de Colombia, y las universidades de Connecticut, Nagoya y Ratisbona, RIKEN) han utilizado la supercomputadora Mira del Laboratorio Nacional Argonne para ayudar a reducir las posibles explicaciones de la discrepancia, entregando un nuevo cálculo teórico preciso que refina una pieza de este rompecabezas muy complejo. La obra, financiado en parte por la Oficina de Ciencias del DOE a través de los programas de la Oficina de Física de Altas Energías e Investigación en Computación Científica Avanzada, ha sido publicado en la revista Cartas de revisión física .

Un muón es una versión más pesada del electrón y tiene la misma carga eléctrica. La medida en cuestión es del momento magnético del muón, que define cómo se bambolea la partícula cuando interactúa con un campo magnético externo. El experimento anterior de Brookhaven, conocido como Muon g-2, examinaron los muones mientras interactuaban con un anillo de almacenamiento de electroimán de 50 pies de diámetro. Los resultados experimentales divergieron del valor predicho por la teoría en una cantidad extremadamente pequeña medida en partes por millón, pero en el ámbito del modelo estándar, tal diferencia es lo suficientemente grande como para ser notable.

"Si tiene en cuenta las incertidumbres tanto en los cálculos como en las mediciones, no podemos decir si se trata de una discrepancia real o simplemente de una fluctuación estadística, "dijo Thomas Blum, físico de la Universidad de Connecticut y coautor del artículo. "Así que tanto los experimentales como los teóricos están tratando de mejorar la nitidez de sus resultados".

Como Taku Izubuchi, un físico del Brookhaven Lab que es coautor del artículo, señalado, "Los físicos han estado tratando de comprender el momento magnético anómalo del muón comparando cálculos teóricos precisos y experimentos precisos desde la década de 1940. Esta secuencia de trabajo ha llevado a muchos descubrimientos en física de partículas y continúa expandiendo los límites de nuestro conocimiento y capacidades en tanto la teoría como el experimento ".

Si la discrepancia entre los resultados experimentales y las predicciones teóricas es real, eso significaría que algún otro factor, tal vez alguna partícula aún por descubrir, está causando que el muón se comporte de manera diferente a lo esperado, y sería necesario revisar el Modelo Estándar.

El trabajo del equipo se centró en un aspecto notoriamente difícil de la anomalía que involucraba a la fuerza fuerte, que es una de las cuatro fuerzas básicas de la naturaleza que gobiernan cómo interactúan las partículas, junto con los débiles, electromagnético, y fuerza gravitacional. Las mayores incertidumbres en los cálculos de muones provienen de partículas que interactúan a través de la fuerza fuerte, conocidas como contribuciones hadrónicas. Estas contribuciones hadrónicas están definidas por una teoría llamada cromodinámica cuántica (QCD).

Los investigadores utilizaron un método llamado celosía QCD para analizar un tipo de contribución hadrónica, dispersión luz a luz. "Para hacer el cálculo, simulamos el campo cuántico en una pequeña caja cúbica que contiene el proceso de dispersión luz por luz que nos interesa, "dijo Luchang Jin, físico de la Universidad de Connecticut y coautor del artículo. "Podemos terminar fácilmente con millones de puntos en el tiempo y el espacio en la simulación".

Ahí es donde entró Mira. El equipo usó la supercomputadora, ubicado en Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), para resolver las complejas ecuaciones matemáticas de QCD, que codifican todas las posibles interacciones fuertes con el muón. El ALCF, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, Mira recientemente se retiró para hacer espacio para la supercomputadora Aurora más poderosa, un sistema de exaescala programado para llegar en 2021.

"Mira era ideal para este trabajo, "dijo James Osborn, un científico computacional con el ALCF y la división de Ciencias Computacionales de Argonne. "Con casi 50, 000 nodos conectados por una red muy rápida, nuestro sistema masivamente paralelo permitió al equipo ejecutar grandes simulaciones de manera muy eficiente ".

Después de cuatro años de realizar cálculos en Mira, los investigadores produjeron el primer resultado de la contribución de la dispersión hadrónica luz por luz al momento magnético anómalo del muón, controlando todos los errores.

"Por mucho tiempo, mucha gente pensó que esta contribución, porque fue muy desafiante, explicaría la discrepancia, ", Dijo Blum." Pero encontramos que las estimaciones anteriores no estaban muy lejos, y que el valor real no puede explicar la discrepancia ".

Mientras tanto, una nueva versión del experimento Muon g-2 está en marcha en Fermi National Accelerator Laboratory, con el objetivo de reducir la incertidumbre en el lado experimental en un factor de cuatro. Esos resultados agregarán más información al trabajo teórico que se está realizando ahora.

"Hasta donde sabemos, la discrepancia sigue en pie, ", Dijo Blum." Estamos esperando ver si los resultados juntos apuntan a una nueva física, o si el modelo estándar actual sigue siendo la mejor teoría que tenemos para explicar la naturaleza ".