El gráfico muestra cómo las propiedades de desintegración de un mesón hecho de un quark pesado y un quark ligero cambian cuando el espaciado de la red y la masa del quark pesado varían en el cálculo. Crédito:A. Bazavov (Michigan State U.), C. Bernard (Washington U., San Louis), N. Brown (Washington U., San Louis), C. DeTar (Utah U.), HACHA. El-Khadra (Illinois U., Urbana y Fermilab) et al.
Mire más profundamente en el corazón del átomo de lo que permite cualquier microscopio y los científicos plantean la hipótesis de que encontrará un rico mundo de partículas entrando y saliendo del vacío. decayendo en otras partículas, y aumentando la rareza del mundo visible. Estas partículas subatómicas se rigen por la naturaleza cuántica del Universo y son tangibles, forma física en resultados experimentales.
Algunas partículas subatómicas se descubrieron por primera vez hace más de un siglo con experimentos relativamente simples. Más recientemente, sin embargo, el esfuerzo por comprender estas partículas ha generado el mayor, los experimentos más ambiciosos y complejos del mundo, incluidos los de laboratorios de física de partículas como la Organización Europea para la Investigación Nuclear (CERN) en Europa, Fermilab en Illinois, y la High Energy Accelerator Research Organisation (KEK) en Japón.
Estos experimentos tienen la misión de ampliar nuestra comprensión del Universo, caracterizado más armoniosamente en el Modelo Estándar de física de partículas; y mirar más allá del Modelo Estándar en busca de una 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 que se encuentra más allá del Modelo Estándar".
Desde el comienzo del estudio de la física de partículas, Los enfoques experimentales y teóricos se han complementado en el intento de comprender la naturaleza. En las últimas cuatro o cinco décadas, la informática avanzada se ha convertido en una parte importante de ambos enfoques. Se ha avanzado mucho en la comprensión del comportamiento del zoológico de partículas subatómicas, incluidos los bosones (especialmente el bosón de Higgs recientemente buscado y recientemente descubierto), varios sabores de quarks, gluones, muones, neutrinos y muchos estados hechos de combinaciones de quarks o anti-quarks unidos entre sí.
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 campo clásica, relatividad especial y mecánica cuántica, desarrollado con contribuciones de Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, y otros. Dentro del Modelo Estándar, cromodinámica cuántica, o QCD, es la teoría de la interacción fuerte entre quarks y gluones, las partículas fundamentales que componen algunas de las partículas compuestas más grandes, como el protón, neutrón y pión.
Mirando a través de la celosía
Carleton DeTar y Steven Gottlieb son dos de los principales académicos contemporáneos de la investigación de QCD y practicantes de un enfoque conocido como lattice QCD. Lattice QCD representa el espacio continuo como un conjunto discreto de puntos espaciotemporales (llamado celosía). Utiliza supercomputadoras para estudiar las interacciones de los quarks, y lo 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, dar una idea de partes de la teoría inaccesibles 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 del momento magnético anómalo del muón. Como parte de estos esfuerzos, utilizan las supercomputadoras más rápidas del mundo.
Desde 2019 han utilizado Frontera en el Centro de Computación Avanzada de Texas (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, que está financiado por la National Science Foundation. El equipo también utiliza Summit en el Laboratorio Nacional de Oak Ridge (el segundo superordenador más rápido del mundo); Cori en el Centro Nacional de Computación Científica de Investigación en Energía (# 20), y Stampede2 (# 25) en 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 sólidas, "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, algunas de nuestras mejores estimaciones estaban 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 tándem, informándonos unos a otros, pero a veces produciendo 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 al menos cinco desviaciones estándar. Pero significa que o haces la teoría y experimentas con más precisión y encuentras que el acuerdo es mejor; o lo haces y te enteras, 'Espera un minuto, cuál era la tensión de tres sigma ahora es una tensión de desviación estándar de cinco, y tal vez realmente tengamos pruebas de una nueva física '".
Una trama del Triángulo de Unitaridad, una buena prueba del modelo estándar, mostrando restricciones en el ρ, ¯ η¯ plano. Las áreas sombreadas tienen 95% CL, un método estadístico para establecer límites superiores en los parámetros del modelo. Crédito:A. Ceccucci (CERN), Z. Ligeti (LBNL) e Y. Sakai (KEK)
DeTar llama a estas pequeñas discrepancias entre la teoría y el experimento "tentadoras". "Puede que nos estén diciendo algo".
Durante 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 actualmente con 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, en consecuencia, eliminando una fuente significativa de incertidumbre de estos cálculos.
Cada duplicación de resolución, sin embargo, requiere aproximadamente dos órdenes de magnitud más de potencia de cálculo, colocando 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 las Instalaciones de Computación de Clase de Liderazgo [el futuro sistema de planificación de TACC]. Pero ahora podemos conformarnos con extrapolaciones ".
El momento magnético anómalo del muón y otros misterios destacados
Entre los fenómenos que DeTar y Gottlieb están abordando se encuentra 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 tipo de nube afecta a las desintegraciones de 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 reseña apareció en Informes de física en diciembre de 2020. DeTar, Gottlieb y varios de sus Fermilab Lattice, Los colaboradores de 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. Entonces, los misterios que estamos tratando de resolver en el microcosmos también pueden proporcionar respuestas a los misterios en la escala cosmológica ".
Carleton DeTar, Catedrático 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) son las 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, "Esto y las perspectivas de reducir aún más la incertidumbre teórica en el futuro cercano ... hacen de esta cantidad uno de los lugares más prometedores para buscar evidencia de nueva física".
Gottlieb, DeTar y sus 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 momento magnético anómalo del muón es ahora realista". "Dijo Gottlieb. Esperan 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 varios de los parámetros menos conocidos del Modelo Estándar, ", Dijo Gottlieb." Nuestro trabajo es mejorar las determinaciones de las masas de arriba, abajo, extraño, encantadores y quarks de fondo y cómo se mezclan bajo desintegraciones débiles ". La mezcla se describe mediante la llamada matriz de mezcla CKM por la que Kobayashi y Maskawa ganaron el Premio Nobel de Física en 2008.
Las respuestas que buscan DeTar y Gottlieb son las más fundamentales en la ciencia:¿De qué está hecha la materia? ¿Y de donde vino?
"El Universo está muy conectado de muchas formas, ", 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 del Universo involucran las mismas interacciones con las que estamos trabajando aquí. Entonces, los misterios que estamos tratando de resolver en el microcosmos también pueden proporcionar respuestas a los misterios en la escala cosmológica ".
