Op hun zoektocht om te ontdekken waaruit het universum bestaat, onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) maken gebruik van de kracht van supercomputers om voorspellingen te doen over deeltjesinteracties die nauwkeuriger zijn dan ooit tevoren.

Onderzoekers van Argonne hebben een nieuwe theoretische benadering ontwikkeld, bij uitstek geschikt voor krachtige computersystemen, die in staat is om voorspellende berekeningen te maken over deeltjesinteracties die bijna exact overeenkomen met experimentele gegevens. Deze nieuwe benadering zou wetenschappers een waardevol hulpmiddel kunnen bieden voor het beschrijven van nieuwe fysica en deeltjes die verder gaan dan de momenteel geïdentificeerde.

Het raamwerk doet voorspellingen op basis van het Standaardmodel, de theorie die de fysica van het heelal beschrijft naar ons beste weten. Onderzoekers kunnen nu experimentele gegevens vergelijken met voorspellingen die via dit raamwerk zijn gegenereerd, om mogelijk discrepanties te ontdekken die zouden kunnen wijzen op het bestaan ​​van nieuwe fysica buiten het standaardmodel. Een dergelijke ontdekking zou een revolutie teweegbrengen in ons begrip van de natuur op de kleinste meetbare lengteschalen.

"Tot dusver, het standaardmodel van deeltjesfysica is zeer succesvol geweest in het beschrijven van de deeltjesinteracties die we experimenteel hebben gezien, maar we weten dat er dingen zijn die dit model niet volledig beschrijft. We kennen de volledige theorie niet, " zei Argonne-theoreticus Radja Boughezal, die samen met haar team het raamwerk heeft ontwikkeld.

"De eerste stap bij het ontdekken van de volledige theorie en nieuwe modellen is het zoeken naar afwijkingen met betrekking tot de fysica die we nu kennen. Onze hoop is dat er een afwijking is, omdat het zou betekenen dat er iets is dat we daarbuiten niet begrijpen, " ze zei.

De theoretische methode ontwikkeld door het Argonne-team wordt momenteel toegepast op Mira, een van de snelste supercomputers ter wereld, die is gehuisvest in de Argonne Leadership Computing Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit.

Met behulp van Mira, onderzoekers passen het nieuwe raamwerk toe om de productie van ontbrekende energie in combinatie met een jet te analyseren, een deeltjesinteractie die van bijzonder belang is voor onderzoekers van de Large Hadron Collider (LHC) in Zwitserland.

Natuurkundigen van de LHC proberen nieuwe deeltjes te produceren waarvan bekend is dat ze in het universum bestaan, maar die nog niet in het laboratorium zijn gezien. zoals de donkere materie die een kwart van de massa en energie van het universum omvat.

Hoewel wetenschappers tegenwoordig geen manier hebben om donkere materie rechtstreeks waar te nemen - vandaar de naam - geloven ze dat donkere materie een "ontbrekende energievoetafdruk" zou kunnen achterlaten in de nasleep van een botsing die zou kunnen wijzen op de aanwezigheid van nieuwe deeltjes die niet in het standaardmodel zijn opgenomen. Deze deeltjes zouden zeer zwak interageren en daardoor ontsnappen aan detectie bij de LHC. De aanwezigheid van een "jet", een nevel van standaardmodeldeeltjes die ontstaat door het uiteenvallen van de protonen die botsen bij de LHC, zou de aanwezigheid van de anders onzichtbare donkere materie markeren.

In de LHC-detectoren, echter, de productie van een bepaald soort interactie - het Z-boson plus jet-proces genoemd - kan dezelfde signatuur nabootsen als het potentiële signaal dat zou ontstaan ​​​​uit tot nu toe onbekende donkere materiedeeltjes. Boughezal en haar collega's gebruiken hun nieuwe raamwerk om LHC-fysici te helpen onderscheid te maken tussen de Z-boson plus jet-signatuur die in het standaardmodel wordt voorspeld en andere potentiële signalen.

Eerdere pogingen waarbij minder nauwkeurige berekeningen werden gebruikt om de twee processen te onderscheiden, hadden zoveel onzekerheid dat ze gewoon niet nuttig waren om de fijne wiskundige onderscheidingen te kunnen maken die mogelijk een nieuw signaal van donkere materie zouden kunnen identificeren.

"Alleen door het Z-boson plus-straalproces heel precies te berekenen, kunnen we bepalen of de handtekening inderdaad is wat het standaardmodel voorspelt, of de gegevens wijzen op de aanwezigheid van iets nieuws, " zei Frank Petriello, een andere Argonne-theoreticus die het raamwerk heeft helpen ontwikkelen. "Dit nieuwe raamwerk opent de deur naar het gebruik van Z-boson plus jetproductie als een hulpmiddel om nieuwe deeltjes buiten het standaardmodel te ontdekken."

Toepassingen voor deze methode gaan veel verder dan studies van de Z-boson plus jet. Het raamwerk heeft niet alleen gevolgen voor het onderzoek aan de LHC, maar ook studies bij toekomstige botsers die steeds nauwkeuriger, hoogwaardige gegevens, zeiden Boughezal en Petriello.

"Deze experimenten zijn zo nauwkeurig geworden, en experimentatoren zijn nu in staat om dingen zo goed te meten, dat het nodig is geworden om dit soort precisiegereedschappen te hebben om te begrijpen wat er in deze botsingen gebeurt, ' zei Boezezal.

"We hebben ook zoveel geluk dat we supercomputers zoals Mira hebben, want dit is het moment waarop we deze krachtige machines nodig hebben om het precisieniveau te bereiken waarnaar we op zoek zijn; zonder hen, dit werk zou niet mogelijk zijn."