Kijk dieper in het hart van het atoom dan welke microscoop dan ook toestaat en wetenschappers veronderstellen dat je een rijke wereld van deeltjes zult vinden die in en uit het vacuüm springen, vervallen in andere deeltjes, en toe te voegen aan de gekheid van de zichtbare wereld. Deze subatomaire deeltjes worden beheerst door de kwantumaard van het heelal en vinden tastbaar, fysieke vorm in experimentele resultaten.

Sommige subatomaire deeltjes werden meer dan een eeuw geleden voor het eerst ontdekt met relatief eenvoudige experimenten. Recenter, echter, het streven om deze deeltjes te begrijpen heeft geleid tot de grootste, meest ambitieuze en complexe experimenten ter wereld, waaronder die van laboratoria voor deeltjesfysica, zoals de Europese Organisatie voor Nucleair Onderzoek (CERN) in Europa, Fermilab in Illinois, en de High Energy Accelerator Research Organization (KEK) in Japan.

Deze experimenten hebben een missie om ons begrip van het heelal te vergroten, het meest harmonieus gekarakteriseerd in het standaardmodel van de deeltjesfysica; en verder te kijken dan het standaardmodel voor nog onbekende natuurkunde.

"Het standaardmodel verklaart zoveel van wat we waarnemen in de elementaire deeltjes- en kernfysica, maar het laat veel vragen onbeantwoord, " zei Steven Gottlieb, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde aan de Indiana University. "We proberen het mysterie te ontrafelen van wat er achter het standaardmodel ligt."

Sinds het begin van de studie van deeltjesfysica, experimentele en theoretische benaderingen hebben elkaar aangevuld in de poging de natuur te begrijpen. In de afgelopen vier tot vijf decennia is geavanceerd computergebruik is een belangrijk onderdeel geworden van beide benaderingen. Er is grote vooruitgang geboekt bij het begrijpen van het gedrag van de dierentuin van subatomaire deeltjes, inclusief bosonen (vooral het lang gezochte en recent ontdekte Higgs-deeltje), verschillende smaken quarks, gluonen, muonen, neutrino's en vele toestanden gemaakt van combinaties van aan elkaar gebonden quarks of anti-quarks.

Kwantumveldentheorie is het theoretische raamwerk van waaruit het standaardmodel van de deeltjesfysica is opgebouwd. Het combineert klassieke veldentheorie, speciale relativiteitstheorie en kwantummechanica, ontwikkeld met bijdragen van Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, en anderen. Binnen het standaardmodel, kwantumchromodynamica, of QCD, is de theorie van de sterke interactie tussen quarks en gluonen, de fundamentele deeltjes die deel uitmaken van enkele van de grotere samengestelde deeltjes zoals het proton, neutronen en pion.

Door het rooster turen

Carleton DeTar en Steven Gottlieb zijn twee van de toonaangevende hedendaagse wetenschappers op het gebied van QCD-onderzoek en beoefenaars van een benadering die bekend staat als rooster-QCD. Lattice QCD vertegenwoordigt continue ruimte als een discrete reeks ruimtetijdpunten (het rooster genoemd). Het gebruikt supercomputers om de interacties van quarks te bestuderen, en belangrijker nog, om verschillende parameters van het standaardmodel nauwkeuriger te bepalen, waardoor de onzekerheden in zijn voorspellingen worden verminderd. Het is een langzame en resource-intensieve aanpak, maar het heeft bewezen een brede toepasbaarheid te hebben, inzicht geven in delen van de theorie die op een andere manier niet toegankelijk zijn, in het bijzonder de expliciete krachten die tussen quarks en antiquarks werken.

DeTar en Gottlieb maken deel uit van de MIMD Lattice Computation (MILC) Collaboration en werken voor het overgrote deel van hun werk nauw samen met de Fermilab Lattice Collaboration. Ze werken ook met de High Precision QCD (HPQCD) Collaboration voor de studie van het muon afwijkende magnetische moment. Als onderdeel van deze inspanningen, ze gebruiken de snelste supercomputers ter wereld.

Sinds 2019, ze hebben Frontera gebruikt in het Texas Advanced Computing Center (TACC) - de snelste academische supercomputer ter wereld en de 9e in het algemeen - om hun werk voort te stuwen. Ze behoren tot de grootste gebruikers van die bron, die wordt gefinancierd door de National Science Foundation. Het team gebruikt ook Summit in het Oak Ridge National Laboratory (de #2 snelste supercomputer ter wereld); Cori bij het National Energy Research Scientific Computing Center (#20), en Stampede2 (#25) bij TACC, voor de roosterberekeningen.

De inspanningen van de netwerk-QCD-gemeenschap gedurende tientallen jaren hebben geleid tot een grotere nauwkeurigheid van deeltjesvoorspellingen door een combinatie van snellere computers en verbeterde algoritmen en methodologieën.

"We kunnen met hoge precisie berekeningen doen en voorspellingen doen over hoe sterke interacties werken, " zei DeTar, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde aan de Universiteit van Utah. "Toen ik eind jaren zestig begon als afstudeerder, sommige van onze beste schattingen waren binnen 20 procent van de experimentele resultaten. Nu kunnen we antwoorden krijgen met een nauwkeurigheid van minder dan een procent."

In de deeltjesfysica, fysiek experiment en theorie reizen samen, elkaar informeren, maar soms met verschillende resultaten. Deze verschillen wijzen op gebieden voor verder onderzoek of verbetering.

"Er zijn wat spanningen in deze tests, " zei Gottlieb, vooraanstaand hoogleraar natuurkunde aan de Indiana University. "De spanningen zijn niet groot genoeg om te zeggen dat er hier een probleem is - de gebruikelijke vereiste is ten minste vijf standaarddeviaties. Maar het betekent dat je de theorie en het experiment nauwkeuriger maakt en ontdekt dat de overeenkomst beter is, of je doet het en je komt erachter 'Wacht even, wat de spanning van drie sigma was, is nu een spanning van vijf standaarddeviatie, en misschien hebben we echt bewijs voor nieuwe fysica.'"

DeTar noemt deze kleine discrepanties tussen theorie en experiment 'prikkelend'. 'Misschien vertellen ze ons iets.'

In de afgelopen jaren, Beste, Gottlieb en hun medewerkers hebben de paden van quarks en antiquarks gevolgd met een steeds grotere resolutie terwijl ze zich door een achtergrondwolk van gluonen en virtuele quark-antiquark-paren bewegen, zoals precies voorgeschreven door QCD. De resultaten van de berekening worden gebruikt om fysiek betekenisvolle grootheden te bepalen, zoals deeltjesmassa's en verval.

Een van de huidige state-of-the-art benaderingen die door de onderzoekers worden toegepast, maakt gebruik van het zogenaamde sterk verbeterde verspringende quark (HISQ) formalisme om interacties van quarks met gluonen te simuleren. op Frontera, DeTar en Gottlieb simuleren momenteel een roosterafstand van 0,06 femtometers (10 ^-15 meter), maar ze naderen snel hun uiteindelijke doel van 0,03 femtometers, een afstand waarbij de roosterafstand kleiner is dan de golflengte van de zwaarste quark, waardoor een belangrijke bron van onzekerheid uit deze berekeningen wordt weggenomen.

Elke verdubbeling van de resolutie, echter, vereist ongeveer twee ordes van grootte meer rekenkracht, het plaatsen van een roosterafstand van 0,03 femtometers stevig in het snel naderende 'exascale'-regime.

"De kosten van berekeningen blijven stijgen naarmate je de roosterafstand kleiner maakt, " zei DeTar. "Voor kleinere roosterafstanden, we denken aan toekomstige machines van het Department of Energy en de Leadership Class Computing Facility [het toekomstige systeem van TACC in planning]. Maar we kunnen het nu doen met extrapolaties."

Het afwijkende magnetische moment van de Muon en andere opmerkelijke mysteries

Een van de fenomenen die DeTar en Gottlieb aanpakken, is het afwijkende magnetische moment van het muon (in wezen een zwaar elektron) - dat, in de kwantumveldentheorie, ontstaat uit een zwakke wolk van elementaire deeltjes die het muon omringt. Dezelfde soort wolk beïnvloedt het verval van deeltjes. Theoretici geloven dat nog onontdekte elementaire deeltjes zich mogelijk in die wolk kunnen bevinden.

Een grote internationale samenwerking genaamd het Muon g-2 Theory Initiative heeft onlangs de huidige status van de standaardmodelberekening van het afwijkende magnetische moment van het muon beoordeeld. Hun recensie verscheen in Natuurkundige rapporten in december 2020. DeTar, Gottlieb en een aantal van hun Fermilab Lattice, HPQCD- en MILC-medewerkers behoren tot de coauteurs. Ze vinden een standaarddeviatieverschil van 3,7 tussen experiment en theorie.

"... de processen die belangrijk waren in de vroegste instantie van het universum, omvatten dezelfde interacties waarmee we hier werken. Dus, de mysteries die we in de microkosmos proberen op te lossen, kunnen heel goed ook antwoorden bieden op de mysteries op kosmologische schaal."

Carleton DeTar, hoogleraar natuurkunde, University of UtahHoewel sommige delen van de theoretische bijdragen met extreme nauwkeurigheid kunnen worden berekend, de hadronische bijdragen (de klasse van subatomaire deeltjes die zijn samengesteld uit twee of drie quarks en deelnemen aan sterke interacties) zijn het moeilijkst te berekenen en zijn verantwoordelijk voor bijna alle theoretische onzekerheid. Lattice QCD is een van de twee manieren om deze bijdragen te berekenen.

"De experimentele onzekerheid zal binnenkort tot een factor vier worden verminderd door het nieuwe experiment dat momenteel bij Fermilab loopt, en ook door het toekomstige J-PARC-experiment, " schreven ze. "Dit en de vooruitzichten om de theoretische onzekerheid in de nabije toekomst verder te verminderen... maken deze hoeveelheid een van de meest veelbelovende plaatsen om naar bewijs van nieuwe fysica te zoeken."

Gottlieb, DeTar en medewerkers hebben de hadronische bijdrage aan het afwijkende magnetische moment berekend met een nauwkeurigheid van 2,2 procent. "Dit geeft ons het vertrouwen dat ons kortetermijndoel om een ​​precisie van 1 procent te bereiken op de hadronische bijdrage aan het muon afwijkende magnetische moment nu realistisch is, "Zei Gottlieb. Ze hopen een paar jaar later een nauwkeurigheid van 0,5 procent te bereiken.

Andere 'verleidelijke' hints van nieuwe fysica betreffen metingen van het verval van B-mesonen. Daar, verschillende experimentele methoden komen tot verschillende resultaten. "De vervaleigenschappen en vermenging van de D- en B-mesonen zijn van cruciaal belang voor een nauwkeurigere bepaling van verschillende van de minst bekende parameters van het standaardmodel, Gottlieb zei. "Ons werk is het verbeteren van de vastberadenheid van de massa's van de up, omlaag, vreemd, charm en bottom-quarks en hoe ze mengen onder zwak verval." Het mengen wordt beschreven door de zogenaamde CKM-mengmatrix waarvoor Kobayashi en Maskawa in 2008 de Nobelprijs voor de natuurkunde wonnen.

De antwoorden die DeTar en Gottlieb zoeken, zijn de meest fundamentele in de wetenschap:waar is materie van gemaakt? En waar kwam het vandaan?

"Het universum is op veel manieren zeer verbonden, " zei DeTar. "We willen begrijpen hoe het heelal begon. Het huidige begrip is dat het begon met de oerknal. En de processen die belangrijk waren in de vroegste instantie van het heelal, omvatten dezelfde interacties waarmee we hier werken. Dus, de mysteries die we in de microkosmos proberen op te lossen, kunnen heel goed ook antwoorden bieden op de mysteries op kosmologische schaal."