Wetenschap
De Cori-supercomputer van het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE. Krediet:NERSC, Lawrence Berkeley National Laboratory
Een internationale samenwerking van theoretisch fysici - waaronder wetenschappers van het Brookhaven National Laboratory (BNL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het RIKEN-BNL Research Center (RBRC) - heeft een nieuwe berekening gepubliceerd die relevant is voor het zoeken naar een verklaring van het overwicht van materie boven antimaterie in ons universum. De samenwerking, bekend als RBC-UKQCD, omvat ook wetenschappers van CERN (het Europese laboratorium voor deeltjesfysica), Universiteit van Colombia, de Universiteit van Connecticut, de Universiteit van Edinburgh, het Massachusetts Institute of Technology, de Universiteit van Regensburg, en de Universiteit van Southampton. Ze beschrijven hun resultaat in een paper dat in het tijdschrift zal worden gepubliceerd Fysieke beoordeling D en is gemarkeerd als een 'suggestie van de redacteur'.
Wetenschappers hebben voor het eerst een klein verschil waargenomen in het gedrag van materie en antimaterie - bekend als een schending van "CP-symmetrie" - tijdens het bestuderen van het verval van subatomaire deeltjes genaamd kaonen in een Nobelprijswinnend experiment in Brookhaven Lab in 1963. Terwijl het standaardmodel van deeltjesfysica werd kort daarna in elkaar gezet, begrijpen of de waargenomen CP-schending in kaon-verval in overeenstemming met het standaardmodel ongrijpbaar is gebleken vanwege de complexiteit van de vereiste berekeningen.
De nieuwe berekening geeft een nauwkeurigere voorspelling voor de waarschijnlijkheid waarmee kaonen vervallen in een paar elektrisch geladen pionen versus een paar neutrale pionen. Door deze vervalsingen te begrijpen en de voorspelling te vergelijken met recentere state-of-the-art experimentele metingen gedaan bij CERN en DOE's Fermi National Accelerator Laboratory, kunnen wetenschappers testen op kleine verschillen tussen materie en antimaterie, en zoek naar effecten die niet verklaard kunnen worden door het Standaard Model.
De nieuwe berekening vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van het vorige resultaat van de groep, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven in 2015. Op basis van het Standaardmodel, het geeft een reeks waarden voor wat "directe CP-symmetrieschending" in kaon-verval wordt genoemd, dat consistent is met de experimenteel gemeten resultaten. Dat betekent dat de waargenomen CP-schending nu is, voor zover wij weten, verklaard door het standaardmodel, maar de onzekerheid in de voorspelling moet verder worden verbeterd, aangezien er ook een mogelijkheid is om bronnen van asymmetrie tussen materie en antimaterie aan het licht te brengen die buiten de beschrijving van de huidige theorie van onze wereld liggen.
"Een nog nauwkeuriger theoretische berekening van het standaardmodel kan nog buiten het experimenteel gemeten bereik liggen. Het is daarom van groot belang dat we onze vooruitgang voortzetten, en onze berekeningen verfijnen, zodat we ons fundamentele begrip nog sterker kunnen testen, " zei Brookhaven Lab-theoreticus Amarjit Soni.
Materie/antimaterie onbalans
"De behoefte aan een verschil tussen materie en antimaterie is ingebouwd in de moderne theorie van de kosmos, " zei Norman Christ van Columbia University. "Ons huidige inzicht is dat het huidige universum is gemaakt met bijna gelijke hoeveelheden materie en antimaterie. Behalve de kleine effecten die hier worden bestudeerd, materie en antimaterie moeten in alle opzichten identiek zijn, dan conventionele keuzes, zoals het toekennen van een negatieve lading aan één deeltje en een positieve lading aan zijn antideeltje. Een verschil in hoe deze twee soorten deeltjes werken, moet de balans hebben doen doorslaan om materie boven antimaterie te bevoordelen, " hij zei.
"Alle verschillen in materie en antimaterie die tot nu toe zijn waargenomen, zijn veel te zwak om het overwicht van materie in ons huidige universum te verklaren, "Vervolgde hij. "Het vinden van een significante discrepantie tussen een experimentele waarneming en voorspellingen op basis van het standaardmodel zou mogelijk de weg wijzen naar nieuwe mechanismen van deeltjesinteracties die ons huidige begrip te boven gaan - en die we hopen te vinden om deze onbalans te helpen verklaren ."
Een nieuwe berekening uitgevoerd met behulp van 's werelds snelste supercomputers stelt wetenschappers in staat om de waarschijnlijkheid van twee kaon-vervalpaden nauwkeuriger te voorspellen, en vergelijk die voorspellingen met experimentele metingen. De vergelijkingstests voor kleine verschillen tussen materie en antimaterie die, met nog meer rekenkracht en andere verfijningen, wijzen op natuurkundige verschijnselen die niet door het standaardmodel worden verklaard. Krediet:Brookhaven National Laboratory
Quark-interacties modelleren
Alle experimenten die een verschil tussen materie en antimaterie laten zien, hebben betrekking op deeltjes gemaakt van quarks, de subatomaire bouwstenen die door de sterke kracht binden om protonen te vormen, neutronen, en atoomkernen - en ook minder bekende deeltjes zoals kaonen en pionen.
"Elke kaon en pion is gemaakt van een quark en een antiquark, omgeven door een wolk van virtuele quark-antiquark-paren, en samengebonden door krachtdragers die gluonen worden genoemd, " legde Christopher Kelly uit, van Brookhaven National Laboratory.
De op het Standaard Model gebaseerde berekeningen van hoe deze deeltjes zich gedragen, moeten daarom alle mogelijke interacties van de quarks en gluonen omvatten, zoals beschreven door de moderne theorie van sterke interacties, kwantumchromodynamica (QCD) genoemd.
In aanvulling, deze gebonden deeltjes bewegen met bijna de lichtsnelheid. Dat betekent dat de berekeningen ook de principes van relativiteit en kwantumtheorie moeten bevatten, die dergelijke deeltjesinteracties met bijna-lichtsnelheid regelen.
"Vanwege het enorme aantal betrokken variabelen, dit zijn enkele van de meest gecompliceerde berekeningen in de hele natuurkunde, " merkte Tianle Wang op, van de Columbia-universiteit.
rekenkundige uitdaging
Om de uitdaging te overwinnen, de theoretici gebruikten een computerbenadering genaamd rooster QCD, die de deeltjes "plaatst" op een vierdimensionaal ruimte-tijdrooster (drie ruimtelijke dimensies plus tijd). Dit doosachtige rooster stelt hen in staat om alle mogelijke kwantumpaden in kaart te brengen voor het initiële kaon om te vervallen tot de laatste twee pionen. Het resultaat wordt nauwkeuriger naarmate het aantal roosterpunten toeneemt. Wang merkte op dat de "Feynman-integraal" voor de hier gerapporteerde berekening de integratie van 67 miljoen variabelen inhield!
Deze complexe berekeningen werden gedaan met behulp van geavanceerde supercomputers. Het eerste deel van het werk, het genereren van monsters of snapshots van de meest waarschijnlijke quark- en gluonvelden, werd uitgevoerd op supercomputers in de VS, Japan, en het VK. De tweede en meest complexe stap van het extraheren van de werkelijke kaon-vervalamplitudes werd uitgevoerd in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory van DOE.
Maar het gebruik van de snelste computers is niet genoeg; deze berekeningen zijn zelfs op deze computers nog steeds alleen mogelijk bij gebruik van sterk geoptimaliseerde computercodes, ontwikkeld voor de berekening door de auteurs.
"De nauwkeurigheid van onze resultaten kan niet significant worden verhoogd door simpelweg meer berekeningen uit te voeren, ' zei Kelly. 'In plaats daarvan, om onze test van het standaardmodel aan te scherpen, moeten we nu een aantal meer fundamentele theoretische uitdagingen overwinnen. Onze samenwerking heeft al aanzienlijke vooruitgang geboekt bij het oplossen van deze problemen en in combinatie met verbeteringen in rekentechnieken en de kracht van DOE-supercomputers in de nabije toekomst, we verwachten in de komende drie tot vijf jaar veel betere resultaten te bereiken."
Wetenschap © https://nl.scienceaq.com