Физиците използват квантова решетъчна хромодинамика и суперкомпютри, за да търсят физика извън Стандартния модел.
Учените предполагат, че ако се вгледате в сърцето на атома по-дълбоко, отколкото позволява който и да е микроскоп, ще се открие свят, богат на частици, които се появяват от вакуума, разлагат се на други частици и правят видимия свят още по-странен. Тези субатомни частици се управляват от квантовата природа на Вселената и намират осезаема физическа форма в експериментални резултати.
Някои субатомни частици са открити за първи път преди повече от век с относително прости експерименти. Съвсем наскоро обаче усилията да се разберат тези частици пораждат най-големите, най-амбициозни и сложни експерименти в света, включително тези в лабораториите по физика на частиците като Европейската организация за ядрени изследвания CERN в Европа, Fermilab в Илинойс и Изследователската организация за високи енергийни ускорители (KEK) в Япония.
Тези експерименти имат за цел да разшири нашето разбиране за Вселената, характеризирана най-хармонично в Стандартния модел на физиката на частиците и да погледнем отвъд Стандартния модел за все още неизвестна физика.
Тази графика показва как свойствата на разпадането на мезон, състоящ се от тежък кварк и лек кварк, се променят, когато разстоянието между решетката и масата на тежкия кварк се променят при изчислението. Кредит: A. Bazavov (Michigan State U.), C. Bernard (Washington U., St. Louis), N. Brown (Washington U., St. Louis), C. DeTar (Utah U.), A.X. El-Khadra (Illinois U., Urbana and Fermilab) et al.
„Стандартният модел обяснява много от това, което наблюдаваме в елементарните частици и ядрената физика, но оставя много въпроси без отговор“, коментира Стивън Готлиб (Steven Gottlieb), професор по физика в Университета в Индиана. „Опитваме се да разкрием загадката на това, което се крие отвъд Стандартния модел.“
От самото си начало на физиката на частиците експерименталният и теоретичният подход се допълват взаимно в опит да се разбере природата. През последните четири до пет десетилетия усъвършенстваните компютърни изчисления се превърнаха във важна част от двата подхода. Постигнат е голям напредък в разбирането на поведението на зоопарка от субатомни частици, включително бозоните (особено дълго търсеният и наскоро открит Хигс бозон), различни аромати кварки, глуони, мюони, неутрино и много състояния, направени от комбинации от кварки или анти-кварки.
Квантовата теория на полето е теоретичната рамка, от която е изграден Стандартният модел на физиката на частиците. Той съчетава класическата теория на полето, Специалната теория на относителността и квантовата механика, разработени с принос на Айнщайн, Дирак, Ферми, Файнман и други. В рамките на Стандартния модел квантовата хромодинамика или КХД е теорията за силното взаимодействие между кварки и глуони, основните частици, които изграждат някои от по-големите съставни частици като протон, неутрон и пион.
Надниквайки през решетката
Карлтън ДеТар (Carleton DeTar) и Стивън Готлиб са двама от водещите съвременни учени в областта на изследванията на КХД и практикуващи подход, известен като решетъчна КХД. Решетъчната КХД представя непрекъснатото пространство като дискретен набор от пространствено-времеви точки (наречени решетка). Тя използва суперкомпютри за изследване на взаимодействията на кварки и, което е важно, за по-точно определяне на няколко параметъра на Стандартния модел, като по този начин намалява несигурността в неговите прогнози. Това е бавен и ресурсоемък подход, но се оказа, че има широка приложимост, като дава представа за части от теорията, недостъпни с други средства, по-специално за силното взаимодействие, действащо между кварки и антикварки.
Графика на триъгълника на унитарността, добър тест на Стандартния модел, показващ ограниченията в равнината ρ, ¯ η¯. Засенчените области имат 95% CL, статистически метод за определяне на горни граници на параметрите на модела. Кредит: A. Ceccucci (CERN), Z. Ligeti (LBNL) и Y. Sakai (KEK)
ДеТар и Готлиб са част от MIMD Lattice Computation Collaboration (MILC) и работят в тясно сътрудничество с Fermilab Lattice Collaboration. Те също така работят с High Precision QCD Collaboration (HPQCD) за изследване на мюонния аномален магнитен момент. Като част от тези усилия те използват най-бързите суперкомпютри в света.
От 2019 г. колективът използва Frontera в Тексаския изчислителен център (TACC) - най-бързият академичен суперкомпютър в света и 9-ият най-бърз в света и е сред най-големите потребители на този ресурс.
Усилията на учените, изследващи решетъчната КХД, в продължение на десетилетия допринаят по-голяма точност на предсказанията на частиците чрез комбинация от по-бързи компютри и подобрени алгоритми и методологии.
„Можем да правим изчисления и да правим прогнози с висока точност за това как работят силните взаимодействия“, заявява ДеТар, професор по физика и астрономия в Университета на Юта. „Когато започнах като аспирант в края на 60-те години, някои от най-добрите ни оценки бяха в рамките на 20 % от експерименталните резултати. Сега можем да получим отговори с точност части от процента".
Frontera е петият най-мощен суперкомпютър в света и най-бързият академичен суперкомпютър, според класацията на организацията Top500 от ноември 2019 г. Frontera се намира в Тексаския изчислителен център в Тексас и се поддържа от Националната научна фондация. Кредит: Texas Advanced Computing Center
Във физиката на елементарните частици физическият експеримент и теорията напредват в тандем, като се информират взаимно, но понякога водят до различни резултати. Тези разлики предполагат области за по-нататъшно проучване или усъвършенстване.
"Има някои несъответствия [напрежения] в тези тестове", разказва Готлиб. „Напрежението не е достатъчно голямо, за да се каже, че има проблем - обичайното изискване е поне пет стандартни отклонения [5 σ]. Но това означава или да направим теорията и експеримента по-точни и да установим, че съгласуването им е по-добро или да го направим и разберем: „Чакайте малко, това, което бе напрежение от три сигма, сега е напрежение от пет стандартни отклонения и може би наистина имаме доказателства за нова физика.“
ДеТар нарича тези малки несъответствия между теорията и експеримента „дразнещи“ и добавя:
„Може би ни казват нещо.“
През последните няколко години ДеТар, Готлиб и техните сътрудници са следвали пътищата на кварки и антикварки с все по-голяма резолюция, докато се движат през фонов облак от глуони и виртуални двойки кварк-антикварк, точно както е предсказано от КХД. Резултатите от изчислението се използват за определяне на физически значими величини като маси на частици и разпадания.
Един от най-съвременните подходи, който се прилага от изследователите, използва т. нар. "силно подобрен нестабилен кварков формализъм (HISQ - highly improved staggered quark), за да симулира взаимодействията на кварки с глюони. На Frontera ДеТар и Готлиб в момента симулират при разстояние в решетките от 0,06 фемтометра (10 -15 метра), но бързо се приближават до крайната си цел от 0,03 фемтометра, разстояние, при което стъпката на решетките е по-малка от дължината на вълната на най-тежкия кварк, следователно премахва значителен източник на несигурност от тези изчисления.
Всяко удвояване на резолюцията обаче изисква около два порядъка по-голяма изчислителна мощност".
„Разходите за изчисления нарастват с намаляването на стъпката на решетките“, коментира ДеТар. „За по-малки стъпки в решетките, ние мислим за бъдещи машини на Министерството на енергетиката и изчислителния център от лидерски клас [бъдещата система на TACC]. Но сега можем да се справим с екстраполациите. "
Аномалният магнитен момент на мюона и други изключителни мистерии
Сред явленията, с които се справят ДеТар и Готлиб, е аномалният магнитен момент на мюона (лептон, по-тежък от електрона) - който в теорията на квантовото поле възниква от слаб облак от елементарни частици, който заобикаля мюона. Същият вид облак влияе върху разпада на частиците. Теоретиците смятат, че в този облак могат потенциално да бъдат все още неоткрити елементарни частици.
Голямо международно сътрудничество, наречено Muon g-2 Theory Initiative, наскоро направи преглед на настоящото състояние на изчисленията на Стандартния модел на аномалния магнитен момент на мюона. Прегледът им се появи в Physics Reports през декември 2020 г. ДеТар, Готлиб и няколко от техните сътрудници от Fermilab Lattice, HPQCD и MILC са сред съавторите. Те откриват разлика от 3,7 стандартно отклонение между експеримента и теорията.
Докато някои части от теоретичния принос могат да бъдат изчислени с изключителна точност, адронните приноси (класът на субатомните частици, които са съставени от два или три кварка и участват в силни взаимодействия) са най-трудни за изчисляване и са отговорни за почти цялата теоретична несигурност. Решетъчната КХД е един от двата начина за изчисляване на тези приноси.
„Експерименталната несигурност скоро ще бъде намалена до фактор четири от новия експеримент, който в момента се провежда във Fermilab, както и от бъдещия експеримент J-PARC“, пишат те. „Това и перспективите за по-нататъшно намаляване на теоретичната несигурност в близко бъдеще ... правят тази стойност едно от най-обещаващите места за търсене на доказателства за нова физика.“
Готлиб, ДеТар и сътрудници са изчислили адронния принос към аномалния магнитен момент с точност от 2,2%.
„Това ни дава увереност, че нашата краткосрочна цел за постигане на точност от 1% върху адронния принос към мюонния аномален магнитен момент вече е реалистична“, заявява Готлиб. Надеждата е да постигнем точност от 0,5% няколко години по-късно.
Други „измъчени“ намеци за новата физика включват измервания на разпада на В мезоните. Там различни експериментални методи стигат до различни резултати.
"Свойствата на разпадане и смесването на D и B мезоните са от решаващо значение за по-точното определяне на няколко от най-малко известните параметри на Стандартния модел", коментира Готлиб. „Нашата работа е да подобрим определянето на масите на горните, долните, странните, чаровните и дънните кварки и как те се смесват при слаб разпад. Смесването е описано от така наречената CKM матрица, за която Кобаяши и Маскава спечелиха Нобелова награда за физика през 2008 г.
 Схема: gravity.wikia |
Всеки кварк има предпочитание да се превърне в кварк от собственото си поколение. Относителните тенденции на всички ароматни трансформации са описани от матрица , наречена Cabibbo-Kobayashi–Maskawa матрица (CKM матрица). Градиентът на слабите взаимодействия между шестте кварка е показан на схемата вляво.Интензитетът на линиите се определя от елементите на матрицата CKM:
Отговорите, които Готлиб и ДеТар търсят, са най-фундаменталните в науката: От какво е направена материята? И откъде дойде?
„Вселената в много отношения е много взаимосвързана“, обяснява ДеТар. „Искаме да разберем как е възникнала Вселената. В момента се смята, че е започнала с Големия взрив. И процесите, които са били важни в най-ранния етап на Вселената, включват същите взаимодействия, с които работим тук. Така че загадките, които се опитваме да разгадаем в микрокосмоса, много добре могат да дадат отговори и на загадките в космологичен мащаб".
Справка: “The anomalous magnetic moment of the muon in the Standard Model” by T. Aoyama, N. Asmussen, M. Benayoun, J. Bijnens, T. Blum, M. Bruno, I. Caprini, C. M. Carloni Calame, M. Cè, G. Colangelo, F. Curciarello, H. Czyz, I. Danilkin, M. Davier, C. T. H. Davies, M. Della Morte, S. I. Eidelman, A. X. El-Khadra, A. Gérardin, D. Giusti, M. Golterman, StevenGottlieb, V. Gülpers, F. Hagelstein, M. Hayakawa, G. Herdoíza, D. W. Hertzog, A. Hoecker, M. Hoferichter, B.-L. Hoid, R. J. Hudspith, F. Ignatov, T. Izubuchi, F. Jegerlehner, L. Jin, A. Keshavarzi, T. Kinoshita, B. Kubis, A. Kupich, A. Kupsc, L. Laub, C. Lehner, L. Lellouch, I. Logashenko, B. Malaescu, K. Maltman, M. K. Marinkovic, P. Masjuan, A. S. Meyer, H. B. Meyer, T. Mibe, K. Miura, S. E. Müller, M. Nio, D. Nomura, A. Nyffeler, V. Pascalutsa, M. Passera, E. Perez del Rio, S. Peris, A. Portelli, M. Procura, C. F. Redmer, B. L. Roberts, P. Sánchez-Puertas, S. Serednyakov, B. Shwartz, S. Simula, D. Stöckinger, H. Stöckinger-Kim, P. Stoffer, T. Teubner, R. Van de Water, M. Vanderhaeghen, G. Venanzoni, G. von Hippel, H. Wittig, Z. Zhang, M. N. Achasov, A. Bashir, N. Cardoso, B. Chakraborty, E.-H. Chao, J. Charles, A. Crivellin, O. Deineka, A. Denig, C. DeTar, C. A. Dominguez, A. E. Dorokhov, V. P. Druzhinin, G. Eichmann, M. Fael, C. S. Fischer, E. Gámiz, Z. Gelzer, J. R. Green, S. Guellati-Khelifa, D. Hatton, N. Hermansson-Truedsson, S. Holz, B. Hörz, M. Knecht, J. Koponen, A. S. Kronfeld, J. Laiho, S. Leupold, P. B. Mackenzie, W. J. Marciano, C. McNeile, D. Mohler, J. Monnard, E. T. Neil, A. V. Nesterenko, K. Ottnad, V. Pauk, A. E. Radzhabov, E. de Rafael, K. Raya, A. Risch, A. Rodríguez-Sánchez, P. Roig, T. San José, E. P. Solodov, R. Sugar, K. Yu. Todyshev, A. Vainshtein, A. Vaquero Avilés-Casco, E. Weil, J. Wilhelm, R. Williams and A. S. Zhevlakov, 14 August 2020, .
DOI: 10.1016/j.physrep.2020.07.006
Източник: Searching for Hints of New Physics in the Subatomic World, University of Texas at Austin
Коментари
Моля, регистрирайте се от TУК!
Ако вече имате регистрация, натиснете ТУК!
Няма коментари към тази новина !
Последни коментари