Twee decennia geleden, een experiment in het Brookhaven National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) wees op een mysterieuze mismatch tussen de gevestigde deeltjesfysica-theorie en werkelijke laboratoriummetingen. Toen onderzoekers het gedrag peilden van een subatomair deeltje genaamd het muon, de resultaten kwamen niet overeen met theoretische berekeningen, vormt een potentiële uitdaging voor het standaardmodel - ons huidige begrip van hoe het universum werkt.

Sindsdien, wetenschappers over de hele wereld hebben geprobeerd deze discrepantie te verifiëren en de betekenis ervan te bepalen. Het antwoord zou ofwel het standaardmodel kunnen handhaven, die alle bekende subatomaire deeltjes definieert en hoe ze op elkaar inwerken, of de mogelijkheid van een geheel onontdekte fysica te introduceren. Een multi-institutioneel onderzoeksteam (waaronder Brookhaven, Universiteit van Colombia, en de universiteiten van Connecticut, Nagoya en Regensburg, RIKEN) hebben de Mira-supercomputer van Argonne National Laboratory gebruikt om de mogelijke verklaringen voor de discrepantie te helpen verkleinen, het leveren van een nieuwe nauwkeurige theoretische berekening die een stukje van deze zeer complexe puzzel verfijnt. Het werk, gedeeltelijk gefinancierd door het DOE's Office of Science via haar Office of High Energy Physics en Advanced Scientific Computing Research-programma's, is gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Een muon is een zwaardere versie van het elektron en heeft dezelfde elektrische lading. De betreffende meting is van het magnetische moment van het muon, die definieert hoe het deeltje wiebelt wanneer het in wisselwerking staat met een extern magnetisch veld. Het eerdere Brookhaven-experiment, bekend als Muon g-2, onderzocht muonen terwijl ze in wisselwerking stonden met een elektromagneetopslagring met een diameter van 50 voet. De experimentele resultaten weken af ​​van de door de theorie voorspelde waarde door een extreem kleine hoeveelheid gemeten in delen per miljoen, maar op het gebied van het standaardmodel, zo'n verschil is groot genoeg om op te vallen.

"Als je rekening houdt met onzekerheden in zowel de berekeningen als de metingen, we kunnen niet zeggen of dit een echte discrepantie is of slechts een statistische fluctuatie, " zei Thomas Blum, een natuurkundige aan de Universiteit van Connecticut die co-auteur was van het artikel. "Dus zowel experimentatoren als theoretici proberen de scherpte van hun resultaten te verbeteren."

Zoals Taku Izubuchi, een natuurkundige bij Brookhaven Lab die co-auteur is van het papier, dat is genoteerd, "Natuurkundigen hebben sinds de jaren veertig geprobeerd het afwijkende magnetische moment van het muon te begrijpen door nauwkeurige theoretische berekeningen en nauwkeurige experimenten te vergelijken. Deze reeks van werkzaamheden heeft geleid tot vele ontdekkingen in de deeltjesfysica en blijft de grenzen van onze kennis en mogelijkheden op zowel theorie als experiment."

Als de discrepantie tussen experimentele resultaten en theoretische voorspellingen inderdaad reëel is, dat zou betekenen dat een andere factor - misschien een nog te ontdekken deeltje - ervoor zorgt dat het muon zich anders gedraagt ​​dan verwacht, en het standaardmodel zou moeten worden herzien.

Het werk van het team concentreerde zich op een notoir moeilijk aspect van de anomalie met betrekking tot de sterke kracht, wat een van de vier basiskrachten in de natuur is die bepalen hoe deeltjes op elkaar inwerken, samen met zwakke, elektromagnetisch, en zwaartekracht. De grootste onzekerheden in de muonberekeningen komen van deeltjes die op elkaar inwerken door de sterke kracht, bekend als hadronische bijdragen. Deze hadronische bijdragen worden gedefinieerd door een theorie die kwantumchromodynamica (QCD) wordt genoemd.

De onderzoekers gebruikten een methode genaamd lattice QCD om een ​​type hadronische bijdrage te analyseren, licht-voor-licht verstrooiing. "Om de berekening te maken, we simuleren het kwantumveld in een kleine kubusvormige doos die het licht-voor-licht verstrooiingsproces bevat waarin we geïnteresseerd zijn, " zei Luchang Jin, een natuurkundige aan de Universiteit van Connecticut en co-auteur van papier. "We kunnen gemakkelijk eindigen met miljoenen punten in tijd en ruimte in de simulatie."

Dat is waar Mira binnenkwam. Het team gebruikte de supercomputer, gehuisvest in de Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), om de complexe wiskundige vergelijkingen van QCD op te lossen, die alle mogelijke sterke interacties met het muon coderen. de ALCF, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit, Mira is onlangs met pensioen gegaan om plaats te maken voor de krachtigere Aurora-supercomputer, een exaschaalsysteem dat gepland staat voor 2021.

"Mira was bij uitstek geschikt voor dit werk, " zei James Osborn, een computationele wetenschapper met de ALCF en Argonne's Computational Science divisie. "Met bijna 50 000 knooppunten verbonden door een zeer snel netwerk, ons enorm parallelle systeem stelde het team in staat om grote simulaties zeer efficiënt uit te voeren."

Na vier jaar rekenen op Mira, de onderzoekers produceerden het allereerste resultaat voor de hadronische licht-door-lichtverstrooiingsbijdrage aan het muon afwijkende magnetische moment, controleren op alle fouten.

"Voor een lange tijd, veel mensen vonden deze bijdrage, omdat het zo uitdagend was, zou de discrepantie verklaren, ' zei Blum. 'Maar we ontdekten dat eerdere schattingen er niet ver naast zaten, en dat de werkelijke waarde de discrepantie niet kan verklaren."

In de tussentijd, een nieuwe versie van het Muon g-2-experiment is aan de gang in het Fermi National Accelerator Laboratory, met als doel de onzekerheid aan de experimentele kant met een factor vier te verminderen. Die resultaten zullen meer inzicht geven in het theoretische werk dat nu wordt gedaan.

"Zo ver we weten, de discrepantie blijft bestaan, Blum zei. "We wachten om te zien of de resultaten samen wijzen op nieuwe fysica, of het huidige standaardmodel nog steeds de beste theorie is die we hebben om de natuur te verklaren."