Met behulp van enkele van 's werelds krachtigste supercomputers, een internationaal team met wetenschappers van verschillende nationale laboratoria van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft de meest nauwkeurige berekening vrijgegeven van een fundamentele eigenschap van protonen en neutronen die bekend staat als nucleon axiale koppeling. Deze hoeveelheid bepaalt de sterkte van de interactie die ervoor zorgt dat neutronen in protonen vervallen - en kan daarom worden gebruikt om nauwkeuriger te voorspellen hoe lang neutronen naar verwachting zullen 'leven'. De resultaten verschijnen in Natuur .

"Het feit dat neutronen vervallen tot protonen is een zeer, zeer belangrijk feit in het universum, " zei Enrico Rinaldi, een speciale postdoctoraal onderzoeker bij het RIKEN BNL Research Center in het Brookhaven National Laboratory van DOE, die betrokken was bij het ontwikkelen van simulaties die essentieel waren voor de nieuwe berekening. "Het vertelt je in feite hoe atoomkernen - gemaakt van protonen en neutronen - zijn gemaakt na de oerknal."

De levensduur van neutronen is ook van invloed op de relatieve overvloed aan atomen zoals waterstof en helium in het universum van vandaag, en hoe dat evenwicht de vorming van toekomstige sterren zal beïnvloeden.

De nieuwe berekening zou wetenschappers ook kunnen helpen bepalen welke van de twee benaderingen om de levensduur van neutronen experimenteel te meten nauwkeuriger is - en of de discrepantie van enkele seconden tussen de twee mogelijk zou kunnen wijzen op het bestaan ​​van nog te ontdekken deeltjes.

De inspanning om de axiale koppeling te berekenen, geleid door André Walker-Loud van het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE (Berkeley Lab), gebruikte computerbronnen bij het Lawrence Livermore National Laboratory en de Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Oak Ridge National Laboratory van DOE.

"Dit was een intens project van twee en een half jaar dat alleen tot stand kwam dankzij het geweldige team van mensen dat eraan werkte, ' zei Walker-Loud.

Details van neutronenverval

Als je denkt aan de atomen waaruit onze wereld tegenwoordig bestaat, je denkt waarschijnlijk dat neutronen relatief stabiel zijn. Een houten bureau, gemaakt van veel koolstofatomen, bijvoorbeeld, lijkt op geen enkele noemenswaardige manier te vervallen.

Maar als je een geïsoleerd neutron uit een van die koolstofatomen haalt, het zou veranderen in een proton, gemiddeld, in minder dan 15 minuten.

Het proces dat dit mogelijk maakt, is een kwantummechanische interactie tussen externe deeltjes, W-bosonen genaamd, met de binnenste bouwstenen van het neutron, bekend als quarks en gluonen. Deze interactie verandert de identiteit van een van de samenstellende quarks en daarmee de algehele identiteit van het deeltje.

Maar dat is een te simplistisch beeld, zei Rinaldi. "Dat is wat er zou gebeuren bij zeer hoge energie waar we de quarks en gluonen als vrije objecten kunnen benaderen."

In de echte wereld, bij lagere energie, quarks en gluonen zijn opgesloten, of samengebonden in deeltjes zoals protonen en neutronen, Rinaldi legde het uit. En die quarks en gluonen hebben op talloze manieren een sterke wisselwerking met elkaar.

"We kunnen niet precies zeggen wat de snelheden en posities van alle bestanddelen in het neutron zijn. Het is een kwantummechanische bundel van quarks en gluonen en de interacties daartussen, " zei Rinaldi. De sterkte van de W-bosoninteractie die het neutronenverval veroorzaakt, hangt af van een waarde die wordt bepaald door de samengestelde som van al die interne interacties.

"Wat het W-deeltje ziet is de nucleon axiale koppelingsconstante, een getal dat alle interacties aangeeft die het W-deeltje zou kunnen hebben met de bestanddelen in het neutron, ' zei Rinaldi.

Het supercomputing-experiment uitvoeren

Om de axiale koppelingsconstante te berekenen, of g?A, natuurkundigen gebruiken krachtige supercomputers om de vergelijkingen van de kwantumchromodynamica (QCD) op te lossen - de theorie van de sterke kernkracht, die bepaalt hoe quarks en gluonen op elkaar inwerken. Deze complexe vergelijkingen kunnen worden gezien als bevattende meer dan een miljoen variabelen die verantwoordelijk zijn voor alle mogelijke interacties binnen de krioelende microkosmos van een neutron. Ze zouden onmogelijk op te lossen zijn zonder een techniek die bekend staat als rooster QCD. Lattice QCD plaatst de deeltjes op discrete punten op een denkbeeldig vierdimensionaal raster van ruimtetijd (drie ruimtelijke dimensies plus tijd) om alle mogelijke interacties van aangrenzende deeltjes één voor één te berekenen, en combineert ze vervolgens tot een eindresultaat.

Het algemene rekengedeelte is vrij eenvoudig, Rinaldi zei, nogmaals benadrukkend dat dit een sterk vereenvoudigde weergave is:"Je hebt een computer en een code die de vergelijkingen oplost. Je voert de code uit op de computer, analyse maken, en pak het resultaat. Het is een soort experiment omdat er veel stappen en onderdelen zijn - analoog aan een deeltjesversneller, zijn detectoren, de botsingen, en de gegevensverzameling - en we moeten elk van deze stappen beheersen."

Een van de rollen van Rinaldi was om input te creëren voor het 'experiment' - een reeks simulaties die elk een andere massa voor het neutron bevatten. Het kunstmatig opblazen van de massa van het neutron maakt de vergelijkingen gemakkelijker om mee te werken, hij legde uit.

"De algoritmen worden steeds moeilijker te gebruiken, meer rekentijd nodig hebben om op te lossen, terwijl je probeert te analyseren wat er in de echte wereld gebeurt. We zouden enorme foutbalken hebben. Maar als je de invoer voor de vergelijkingen kunstmatig verandert - de neutronen massiever maken - wordt het gemakkelijker te berekenen. We kunnen een zeer nauwkeurig resultaat krijgen voor elk van deze berekeningen bij hogere massa's, en dan de resultaten samenvoegen om te extrapoleren naar de reële omstandigheden, " hij zei.

De ruis verminderen om het signaal te extraheren

Maar het veranderen van de invoer kan maar zoveel doen. De grootste precisiesprong van het door Berkeley Lab geleide team (ten opzichte van andere groepen die vergelijkbare methoden hebben gebruikt om g?A te berekenen) kwam van verbeteringen aan de "detector, ' zei Rinaldi.

Het team was geïnteresseerd in de eigenschappen van het neutron, hij legde uit. Maar de kwantummechanische interacties van quarks en gluonen kunnen ook "opgewonden toestanden" genereren die op neutronen lijken maar geen neutronen zijn. Die aangeslagen toestanden genereren "ruis" die het signaal vervuilt. Het Berkeley Lab-team ontdekte hoe de ruis eruit kon worden gefilterd om een ​​resultaat te produceren dat, Voor de eerste keer, bereikte de precisiedrempel van één procent die een gouden standaard is voor rooster-QCD-berekeningen.

"Bij het meten van de axiale koppeling, het signaal-naar-ruis degradeert exponentieel naarmate het neutron langer reist, " zei Chia Cheng "Jason" Chang, een postdoc bij Berkeley Lab die de analyse leidde. "Berekeningen uit het verleden werden allemaal uitgevoerd in deze meer lawaaierige omgeving."

"We hebben een manier gevonden om de meting te extraheren voordat de ruis het overneemt en het experiment verpest, ' zei Rinaldi.

De wetenschappers hebben de nieuwe nucleon-axiale koppelingsberekening al gebruikt om een ​​puur theoretische voorspelling van de levensduur van het neutron af te leiden. Direct, deze nieuwe waarde is consistent met de resultaten van beide soorten experimentele metingen, die slechts 9 seconden verschillen.

"We hebben een getal voor de levensduur van de neutronen:14 minuten en 40 seconden met een foutbalk van 14 seconden. Dat is precies in het midden van de waarden gemeten door de twee soorten experimenten, met een foutbalk die groot is en beide overlapt, ' zei Rinaldi.

Met meer statistieken van krachtigere supercomputers, het onderzoeksteam hoopt de onzekerheidsmarge terug te brengen tot ongeveer 0,3 procent. "Dat is waar we echt kunnen beginnen onderscheid te maken tussen de resultaten van de twee verschillende experimentele methoden voor het meten van de levensduur van neutronen, "Zei Chang. "Dat is altijd het meest opwindende deel:wanneer de theorie iets te zeggen heeft over het experiment."

uiteindelijk, Rinaldi zei, deze en andere berekeningen mogelijk gemaakt door de computertechniek van het team kunnen ons begrip van protonen en neutronen verbeteren, en helpen bij het beantwoorden van andere openstaande vragen over kernfysica, donkere materie, en de aard van het universum.