De elementaire deeltjes van de nieuwe theoretische fysica moeten zo massief zijn dat hun detectie in de LHC, de grootste moderne versneller, zal niet mogelijk zijn. Dit is de pessimistische conclusie van het meest uitgebreide overzicht van waarnemingsgegevens van veel wetenschappelijke experimenten en hun confrontatie met verschillende populaire varianten van de supersymmetrietheorie. De ingewikkelde, extreem rekenkundig veeleisende analyse, uitgevoerd door de internationale GAMBIT-samenwerking, laat een schaduw van hoop achter voor onderzoekers.

GAMBIT is de Globale en Modulaire Beyond-the-Standard-Model Inference Tool. Onderzoekers vragen zich nu af of het mogelijk is voor de LHC om de elementaire deeltjes te detecteren die worden voorgesteld om mysteries als de aard van donkere materie en het gebrek aan symmetrie tussen materie en antimaterie te verklaren. Om deze vraag te beantwoorden, GAMBIT analyseert uitvoerig de gegevens die zijn verzameld tijdens LHC-runs. De eerste resultaten, die heel intrigerend zijn voor natuurkundigen, zijn zojuist gepubliceerd in de Europees fysiek tijdschrift C . Het Instituut voor Kernfysica van de Poolse Academie van Wetenschappen (IFJ PAN) in Krakau nam deel aan het werk van het team.

Theoretische natuurkundigen zijn ervan overtuigd dat het standaardmodel, de stroom, goed geverifieerde theorie van de structuur van materie, moet worden uitgebreid. Een sterke aanwijzing voor het bestaan ​​van onbekende elementaire deeltjes zijn de bewegingen van sterren in sterrenstelsels. De Poolse astronoom Marian Kowalski was de eerste die de statistische kenmerken van deze bewegingen onderzocht. in 1859, hij ontdekte dat de bewegingen van de sterren dicht bij ons niet kunnen worden verklaard door de beweging van de zon zelf. Dit was de eerste indicatie van de rotatie van de Melkweg (Kowalski is dus de man die "de hele melkweg van zijn fundamenten heeft verplaatst"). 1933, de Zwitserse astrofysicus Fritz Zwicky zette de volgende stap. Uit zijn observatie van sterrenstelsels in de Coma-cluster, hij concludeerde dat ze rond de clusters bewegen alsof er een grote hoeveelheid onzichtbare materie is.

Hoewel er bijna een eeuw is verstreken sinds Zwicky's ontdekking, het is nog steeds niet mogelijk om de samenstelling van donkere materie te onderzoeken, zelfs niet om het bestaan ​​ervan ondubbelzinnig te bevestigen. Gedurende deze periode, theoretici hebben veel uitbreidingen van het standaardmodel geconstrueerd die deeltjes bevatten die in meer of mindere mate exotisch zijn. Veel van deze zijn kandidaten voor donkere materie. De familie van supersymmetrische theorieën is populair, bijvoorbeeld. Hier, bepaalde nieuwe equivalenten van bekende deeltjes die massief zijn en een zwakke wisselwerking hebben met gewone materie, vormen donkere materie. Van nature, veel groepen experimentele natuurkundigen zijn ook op zoek naar sporen van dergelijke nieuwe natuurkunde. Elke, gebaseerd op theoretische aannames, voert een bepaald onderzoeksproject uit, en behandelt vervolgens de analyse en interpretatie van de gegevens die eruit voortvloeien. Dit gebeurt bijna altijd in de context van een, meestal vrij smal, gebied van natuurkunde, en één theorie voor wat buiten het standaardmodel zou kunnen liggen.

"Het idee van de GAMBIT-samenwerking is om tools te creëren voor het analyseren van gegevens van zoveel mogelijk experimenten, uit verschillende gebieden van de natuurkunde, en om ze zeer nauwkeurig te vergelijken met de voorspellingen van nieuwe theorieën. Uitgebreid kijken, het is mogelijk om de zoekgebieden van nieuwe fysica veel sneller te verfijnen, en na verloop van tijd ook die modellen elimineren waarvan de voorspellingen niet zijn bevestigd in metingen, " legt Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN) uit.

Het idee om een ​​set modulaire softwaretools te bouwen voor de wereldwijde analyse van waarnemingsgegevens van fysieke experimenten ontstond in 2012 in Melbourne tijdens een internationale conferentie over hoge-energiefysica. Momenteel, de GAMBIT-groep omvat meer dan 30 onderzoekers van wetenschappelijke instellingen in Australië, Frankrijk, Spanje, Nederland, Canada, Noorwegen, Polen, de Verenigde Staten, Zwitserland, Zweden en Groot-Brittannië. Dr Chrzaszcz trad drie jaar geleden toe tot het GAMBIT-team om hulpmiddelen te ontwikkelen om de fysica van massieve quarks te modelleren, met bijzondere verwijzing naar beauty-quarks (meestal heeft dit veld van de natuurkunde een veel pakkendere naam:zware smaakfysica).

Verificatie van de nieuwe fysica-voorstellen vindt als volgt plaats in de GAMBIT-samenwerking:Wetenschappers kiezen een theoretisch model en bouwen dit in de software. Het programma scant vervolgens de waarden van de belangrijkste modelparameters. Voor elke set parameters, voorspellingen worden berekend en vergeleken met de gegevens uit de experimenten.

"In praktijk, niets is hier triviaal. Er zijn modellen waar we maar liefst 128 vrije parameters hebben. Stelt u zich eens voor dat u scant in een ruimte van 128 dimensies - het is iets dat elke computer doodt. Daarom, in het begin, we hebben ons beperkt tot drie versies van eenvoudigere supersymmetrische modellen, bekend onder de afkortingen CMSSM, NUHM1 en NUHM2. Ze hebben er vijf, zes en zeven vrije parameters, respectievelijk. Maar toch wordt het ingewikkeld, omdat, bijvoorbeeld, we kennen slechts enkele van de andere parameters van het standaardmodel met een zekere nauwkeurigheid. Daarom, ze moeten ook als vrije parameters worden behandeld, slechts in mindere mate veranderen dan de nieuwe natuurkundige parameters, " zegt dr. Chrzaszcz.

De omvang van de uitdaging wordt het best aangetoond door de totale tijd die nodig is geweest voor alle berekeningen van de GAMBIT-samenwerking tot nu toe. Ze werden uitgevoerd op de Prometheus-supercomputer, een van de snelste computers ter wereld. Het apparaat, werkzaam in het Academisch Computercentrum CYFRONET van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in Krakau, heeft meer dan 53, 000 verwerkingskernen en een totale rekenkracht van 2, 399 teraflops (een miljoen miljoen drijvende-kommabewerkingen per seconde). Ondanks het gebruik van zulke krachtige apparatuur, de totale werktijd van de kernen in de GAMBIT-samenwerking bedroeg 80 miljoen uur (meer dan 9, 100 jaar).

"Zulke lange berekeningen zijn, onder andere, een gevolg van de diversiteit van de meetgegevens. Bijvoorbeeld, groepen van de belangrijkste experimenten bij de LHC publiceren precies de resultaten die de detectoren hebben gemeten. Maar elke detector vervormt op de een of andere manier wat hij ziet. Voordat we de gegevens vergelijken met de voorspellingen van het model dat wordt geverifieerd, de door de detector veroorzaakte vervormingen moeten eruit worden verwijderd, " legt Dr Chrzaszcz uit, en voegt eraan toe, "Aan de kant van de astrofysica, we moeten een soortgelijke procedure uitvoeren. Bijvoorbeeld, Er moeten simulaties worden uitgevoerd over hoe nieuwe natuurkundige verschijnselen het gedrag van de galactische halo van donkere materie zouden beïnvloeden."

Voor zoekers naar nieuwe fysica, de GAMBIT-samenwerking brengt niet het beste nieuws. De analyses suggereren dat als de supersymmetrische deeltjes voorspeld door de bestudeerde modellen bestaan, hun massa moet in de orde van vele teraelektronvolts zijn (in de deeltjesfysica wordt de massa van deeltjes gegeven in energie-eenheden, één elektronvolt komt overeen met de energie die nodig is om het elektron te verplaatsen tussen punten met een potentiaalverschil van één volt). In praktijk, dit betekent dat het heel moeilijk of zelfs onmogelijk zal zijn om dergelijke deeltjes bij de LHC te zien. Maar er is ook een schaduw van hoop. Een paar superdeeltjes, neutralinos, charginos, staus en stopt, hoewel ze vrij grote massa's hebben, niet hoger zijn dan één teraelektronvolt. Met een beetje geluk, hun detectie in de LHC blijft mogelijk. Helaas, in deze groep, alleen de neutralino wordt beschouwd als een potentiële kandidaat voor donkere materie.

In tegenstelling tot veel andere analytische onderzoeksinstrumenten, de codes van alle GAMBIT-modules zijn openbaar beschikbaar op de projectwebsite en kunnen snel worden aangepast aan de analyse van nieuwe theoretische modellen. Onderzoekers van de GAMBIT Collaboration hopen dat de openheid van de code de zoektocht naar nieuwe fysica zal versnellen.