Некоторые субатомные частицы были впервые обнаружены более века назад с помощью относительно простых экспериментов. Однако в последнее время попытки понять эти частицы породили крупнейшие, самые амбициозные и сложные эксперименты в мире, в том числе в лабораториях физики элементарных частиц, таких как Европейская организация ядерных исследований (CERN) в Европе, Fermilab в Иллинойсе и Организация по исследованию ускорителей высоких энергий (KEK) в Японии.
Эти эксперименты призваны расширить наше понимание Вселенной, наиболее гармонично охарактеризованное в Стандартной модели физики элементарных частиц; и выйти за рамки Стандартной модели для пока еще неизвестной физики.
«Стандартная модель объясняет так много из того, что мы наблюдаем в физике элементарных частиц и ядерной физики, но оставляет много вопросов без ответа», – сказал Стивен Готлиб, выдающийся профессор физики в Университете Индианы. "Мы пытаемся разгадать тайну того, что лежит за пределами Стандартной модели."
С самого начала изучения физики элементарных частиц экспериментальный и теоретический подходы дополняли друг друга в попытке понять природу.
За последние четыре-пять десятилетий передовые вычисления стали важной частью обоих подходов. Большой прогресс был достигнут в понимании поведения зоопарка субатомных частиц, включая бозоны (особенно давно разыскиваемый и недавно открытый бозон Хиггса), различные разновидности кварков, глюонов, мюонов, нейтрино и многих состояний, образованных комбинациями кварков или анти-кварков. -кварки связаны вместе.
Квантовая теория поля – это теоретическая основа, на которой построена Стандартная модель физики элементарных частиц. Он сочетает в себе классическую теорию поля, специальную теорию относительности и квантовую механику, разработанную при участии Эйнштейна, Дирака, Ферми, Фейнмана и других. В рамках Стандартной модели квантовая хромодинамика, или КХД, представляет собой теорию сильного взаимодействия между кварками и глюонами, фундаментальными частицами, которые составляют некоторые из более крупных составных частиц, таких как протон, нейтрон и пион.
ПИРИНГ ЧЕРЕЗ РЕШЕТКУ
Карлтон ДеТар и Стивен Готтлиб – два ведущих современных исследователя КХД и практикующие подход, известный как КХД на решетке. Решетка КХД представляет непрерывное пространство как дискретный набор точек пространства-времени (называемый решеткой).
Он использует суперкомпьютеры для изучения взаимодействий кварков и, что важно, для более точного определения нескольких параметров Стандартной модели, тем самым уменьшая неопределенности в ее предсказаниях. Это медленный и ресурсоемкий подход, но он доказал свою широкую применимость, давая понимание частей теории, недоступных другими средствами, в частности явных сил, действующих между кварками и антикварками.
ДеТар и Готтлиб являются участниками коллаборации MIMD Lattice Computing (MILC) и очень тесно сотрудничают с Fermilab Lattice Collaboration над подавляющим большинством своих работ. Они также работают с коллаборацией High Precision QCD (HPQCD) для исследования аномального магнитного момента мюона.
В рамках этих усилий они используют самые быстрые суперкомпьютеры в мире.
С 2019 года они использовали Frontera в Техасском центре передовых вычислений (TACC) – самый быстрый академический суперкомпьютер в мире и 9-й по скорости в целом – для продвижения своей работы. Они являются одними из крупнейших пользователей этого ресурса, который финансируется Национальным научным фондом. Команда также использует Summit в Национальной лаборатории Ок-Ридж (второй по скорости суперкомпьютер в мире); Кори в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (# 20) и Stampede2 (# 25) в TACC, для расчетов решеток.
Усилия сообщества решетки КХД на протяжении десятилетий повысили точность предсказаний частиц за счет комбинации более быстрых компьютеров и улучшенных алгоритмов и методологий.
«Мы можем проводить расчеты и делать прогнозы с высокой точностью того, как работают сильные взаимодействия», – сказал ДеТар, профессор физики и астрономии в Университете штата Юта. "Когда я начинал в аспирантуре в конце 1960-х годов, некоторые из наших лучших оценок находились в пределах 20 процентов от экспериментальных результатов. Теперь мы можем получать ответы с субпроцентной точностью."
В физике элементарных частиц физический эксперимент и теория движутся в тандеме, информируя друг друга, но иногда приводя к разным результатам.
Эти различия предполагают области дальнейшего изучения или улучшения.
«В этих тестах есть некоторая напряженность, – сказал Готлиб, выдающийся профессор физики в Университете Индианы. "Напряженность недостаточно велика, чтобы сказать, что здесь есть проблема – обычное требование – не менее пяти стандартных отклонений. Но это означает, что либо вы уточняете теорию и эксперимент и обнаруживаете, что согласие лучше; или вы делаете это и узнаете: «Погодите-ка, какое было напряжение трех сигм, теперь напряжение пяти стандартных отклонений, и, возможно, у нас действительно есть доказательства новой физики.’"
ДеТар называет эти небольшие расхождения между теорией и экспериментом дразнящим.’"Они могут нам что-то сказать."
За последние несколько лет ДеТар, Готлиб и их сотрудники следовали путями кварков и антикварков с все большим разрешением, когда они движутся через фоновое облако глюонов и виртуальных кварк-антикварковых пар, как это и предписывается КХД. Результаты расчета используются для определения физически значимых величин, таких как массы и распады частиц.
Один из современных подходов, который применяют исследователи, использует так называемый сильно улучшенный формализм шахматных кварков (HISQ) для моделирования взаимодействия кварков с глюонами. На Frontera DeTar и Gottlieb в настоящее время моделируют с шагом решетки 0.06 фемтометров (10-15 метров), но они быстро приближаются к своей конечной цели – 0.03 фемтометры, расстояние, на котором шаг решетки меньше длины волны самого тяжелого кварка, что, следовательно, устраняет значительный источник неопределенности из этих расчетов.
Однако каждое удвоение разрешения требует примерно на два порядка больше вычислительной мощности, что дает 0.03 шаг решетки фемтометра твердо в быстро приближающемся «экзадачном» режиме.
«Стоимость вычислений продолжает расти по мере того, как вы уменьшаете расстояние между решетками», – сказал ДеТар. «Для меньшего шага решетки мы думаем о будущих машинах Министерства энергетики и вычислительном центре Leadership Class [будущая система TACC в планировании].
Но теперь мы можем обойтись экстраполяциями."
АНОМАЛЬНЫЙ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ МЮОНА И ДРУГИЕ ВЫДАЮЩИЕСЯ ТАЙНЫ
Среди явлений, которыми занимаются ДеТар и Готлиб, является аномальный магнитный момент мюона (по сути, тяжелого электрона), который, согласно квантовой теории поля, возникает из-за слабого облака элементарных частиц, окружающего мюон. Такое же облако влияет на распады частиц. Теоретики считают, что еще неоткрытые элементарные частицы потенциально могут находиться в этом облаке.
Большое международное сотрудничество под названием Muon g-2 Theory Initiative недавно провело обзор текущего состояния расчета аномального магнитного момента мюона в Стандартной модели.
Их обзор появился в Physics Reports в декабре 2020 года. ДеТар, Готлиб и несколько их сотрудников Fermilab Lattice, HPQCD и MILC входят в число соавторов. Они находят 3.7 стандартных отклонений разницы между экспериментом и теорией.
." .. процессы, которые были важны в самом раннем случае Вселенной, включают те же взаимодействия, с которыми мы работаем здесь.
Итак, загадки, которые мы пытаемся разгадать в микромире, вполне могут дать ответы на загадки и в космологическом масштабе."
Карлтон ДеТар, профессор физики, Университет штата Юта. Хотя некоторые части теоретических вкладов могут быть вычислены с исключительной точностью, адронные вклады (класс субатомных частиц, которые состоят из двух или трех кварков и участвуют в сильных взаимодействиях) являются наиболее значительными. трудно рассчитать и они ответственны почти за всю теоретическую неопределенность. КХД на решетке – это один из двух способов вычисления этих вкладов.
«Экспериментальная неопределенность скоро будет уменьшена в четыре раза с помощью нового эксперимента, который в настоящее время проводится в Фермилаб, а также будущего эксперимента J-PARC», – написали они. «Это и перспективы дальнейшего снижения теоретической неопределенности в ближайшем будущем… сделать это количество одним из самых многообещающих мест для поиска свидетельств новой физики."
Готлиб, ДеТар и сотрудники вычислили адронный вклад в аномальный магнитный момент с точностью до 2.2 процента. «Это вселяет в нас уверенность в том, что наша краткосрочная цель по достижению точности в 1 процент от адронного вклада в аномальный магнитный момент мюона теперь реальна», – сказал Готлиб. Надежда достичь точности 0.5 процентов несколько лет спустя.
Другие "дразнящие" намеки на новую физику включают измерения распада B-мезонов.
Там различные экспериментальные методы приводят к разным результатам. «Свойства распада и смешения D- и B-мезонов имеют решающее значение для более точного определения нескольких наименее известных параметров Стандартной модели», – сказал Готтлиб. "Наша работа заключается в улучшении определения масс верхних, нижних, странных, очаровательных и нижних кварков и того, как они смешиваются при слабых распадах.«Смешивание описывается так называемой матрицей смешивания CKM, за которую Кобаяси и Маскава получили Нобелевскую премию по физике в 2008 году.
Ответы, которые ищут ДеТар и Готлиб, являются наиболее фундаментальными в науке: из чего состоит материя??
И откуда это взялось?
«Вселенная во многих отношениях очень связана, – сказал ДеТар. "Мы хотим понять, как возникла Вселенная. В настоящее время считается, что это началось с Большого взрыва.
И процессы, которые были важны в самом раннем случае Вселенной, включают те же взаимодействия, с которыми мы работаем здесь. Итак, загадки, которые мы пытаемся разгадать в микромире, вполне могут дать ответы на загадки и в космологическом масштабе."