Четыре года вести расчеты по-новому взглянуть на мюонная аномалия

Два десятилетия назад, эксперимент по национальной лабораторией Министерства энергетики (МЭ) США Брукхейвенской определили загадочное несоответствие между существующей теории физики элементарных частиц и реальных измерений лаборатории. Когда исследователи калиброванный поведение субатомной частицы, называемой мюоном, результаты не согласуются с теоретическими расчетами, что создает потенциальную угрозу для стандартной модели — наше нынешнее понимание того, как работает Вселенная.

С тех пор ученые всего мира пытались проверить это несоответствие и определяет ее актуальность. Ответ может либо придерживаться стандартной модели, который определяет все известные субатомные частицы и как они взаимодействуют, или ввести возможность совершенно неоткрытых физики. Межведомственной исследовательской группы (в том числе Брукхейвен, Колумбийского университета и университетов Коннектикута, Нагоя и Регенсбург, РИКЕН) воспользовались Аргоннской национальной лаборатории суперкомпьютер мира, чтобы помочь сузить круг возможных объяснений расхождения, обеспечивая Ново точный теоретический расчет, который уточняет один кусок этой сложной головоломки. Работы, частично финансируемые Министерством Управления науки через свое отделение физики высоких энергий и современных научных вычислений исследований, была опубликована в журнале письма в ЖЭТФ.

Мюон является более тяжелой версией электрона и имеет тот же электрический заряд. Измерение имеет магнитный момент мюона, которое определяет, как частица колеблется, когда он взаимодействует с внешним магнитным полем. Ранее Брукхейвенском эксперименте, известной как мюон G-2, который рассмотрел мюоны, как они взаимодействуют с электромагнитом накопителя 50 футов в диаметре. Экспериментальные результаты отличаются от значений, предсказанных теорией чрезвычайно небольшое количество измеряется в частях на миллион, но в рамках Стандартной модели, такая разница достаточно велика, чтобы быть заметной.

«Если учитывать неопределенность в расчетах и измерениях, мы не можем сказать, если это реальная нестыковка или просто статистическая флуктуация», — сказал Томас Блум, физик в Университете Коннектикута, который является соавтором документа. «Итак, оба экспериментаторы и теоретики пытаются улучшить резкость их результатов».

Как Таку Izubuchi, физик из Брукхейвенской лаборатории, который является соавтором на бумаге, отметил, что «Физики давно пытаются понять, аномальный магнитный момент мюона по сравнении точные теоретические расчеты и точные эксперименты с 1940-х годов. Эта последовательность работы привело ко многим открытиям в области физики элементарных частиц и продолжает расширять границы наших знаний и возможностей как в теории, так и эксперимента».

Если расхождение между экспериментальными результатами и теоретическими предсказаниями действительно реально, это означало бы какой-то другой фактор-возможно, некоторые еще не обнаруженная частица-это вызывает мюон ведет себя иначе, чем ожидалось, и Стандартной модели придется пересмотреть.

Работа группы сосредоточена на самый сложный аспект аномалия с участием сильного взаимодействия, которое является одним из четырех основных сил природы, которые управляют, как частицы взаимодействуют, вместе с слабых, электромагнитных и гравитационных сил. Наибольшую неопределенность в расчеты мюонных приходят из частиц, взаимодействующих посредством мощной силой, известной как вклад адронной. Эти взносы адронов определяются теория под названием квантовая хромодинамика (КХД).

В течение длительного времени, многие люди думали, что этот вклад, потому что это было так сложно, могло бы объяснить расхождение. Но мы нашли предыдущие оценки были не за горами.

— Университет Коннектикута физик Томас Блум

Исследователи использовали метод, называемый решеточной КХД для анализа типа адронного вклада, свет-по-рассеяние света. «Чтобы сделать расчет, мы имитируем квантового поля в небольшой кубический ящик, который содержит свет на свете процесс рассеяния нас интересует», — сказал Luchang Джин, физик из Коннектикута и бумаги соавтор университета. «Мы можем легко закончить с миллионами точек во времени и пространстве при моделировании.»

Вот где мира пришел. Ученые использовали суперкомпьютер, размещенный на руководство вычислительного комплекса Аргон (ALCF), чтобы решить сложные математические уравнения КХД, которые кодируют всех возможных сильных взаимодействий с мюоном. В ALCF, офис ДОУ науки пользовательский объект, недавно вышел на пенсию мира, чтобы освободить место для более мощный суперкомпьютер «Аврора», в эксафлопсных системы должен прибыть в 2021 году.

«Мира идеально подходит для этой работы», — сказал Джеймс Осборн, вычислительный ученый с ALCF и отдел вычислительных наук Аргонна. «С около 50 000 узлов, подключенных к очень быстрой сети, наши массово параллельные системы позволило команде работают очень эффективно масштабного моделирования.»

После четырех лет работы расчеты на Мира, исследователи произвели первый в истории результат для адронной света на рассеяние света вклада в аномальный магнитный момент мюона с учетом всех ошибок.

«В течение длительного времени, многие считали, что этот вклад, потому что это было настолько сложным, будет несоответствие объяснить», — сказал Блум. «Но мы обнаружили, что предыдущие оценки были не за горами, и что реальная стоимость не может объяснить несоответствие».

Между тем, новая версия мюона г-2 эксперимент начался на Ферми Национальной ускорительной лаборатории, с целью уменьшения неопределенности на экспериментальной стороне в четыре раза. Эти результаты будут добавить больше понимания к теоретической работе, которая ведется сейчас.

«Насколько нам известно, это несоответствие остается в силе,» сказал Блюм. «Мы ждем, чтобы увидеть, соответствуют ли результаты в совокупности указывают на новую физику, или является ли текущая Стандартная модель по-прежнему лучшие теории, мы должны объяснить природу».

сделать разницу: спонсорские возможности