As partículas elementares da nova física teórica devem ser tão massivas que sua detecção no LHC, o maior acelerador moderno, não será possível. Esta é a conclusão pessimista da revisão mais abrangente dos dados observacionais de muitos experimentos científicos e seu confronto com várias variedades populares da teoria da supersimetria. O complicado, análises extremamente exigentes computacionalmente, realizado pela colaboração internacional GAMBIT, deixa uma sombra de esperança para os pesquisadores.

GAMBIT é a ferramenta de inferência global e modular além do modelo padrão. Os pesquisadores agora questionam se é possível para o LHC detectar as partículas elementares propostas para explicar mistérios como a natureza da matéria escura e a falta de simetria entre matéria e antimatéria. Para responder a esta pergunta, O GAMBIT analisa de forma abrangente os dados coletados durante as execuções do LHC. Os primeiros resultados, que são bastante intrigantes para os físicos, acabam de ser publicados no European Physical Journal C . O Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia participou do trabalho da equipe.

Os físicos teóricos estão convencidos de que o modelo padrão, o actual, teoria bem verificada da estrutura da matéria, precisa ser expandido. Um forte indicador da existência de partículas elementares desconhecidas são os movimentos das estrelas nas galáxias. O astrônomo polonês Marian Kowalski foi o primeiro a investigar as características estatísticas desses movimentos. Em 1859, ele descobriu que os movimentos das estrelas perto de nós não podem ser explicados pelo movimento do próprio sol. Esta foi a primeira indicação da rotação da Via Láctea (Kowalski é, portanto, o homem que "moveu toda a galáxia de suas fundações"). Em 1933, o astrofísico suíço Fritz Zwicky deu o próximo passo. A partir de sua observação de galáxias no aglomerado Coma, ele concluiu que eles se movem em torno dos aglomerados como se houvesse uma grande quantidade de matéria invisível ali.

Embora quase um século tenha se passado desde a descoberta de Zwicky, ainda não é possível investigar a composição da matéria escura, nem mesmo para confirmar inequivocamente sua existência. Durante este período, os teóricos construíram muitas extensões do Modelo Padrão contendo partículas que são em maior ou menor grau exóticas. Muitos deles são candidatos à matéria escura. A família de teorias supersimétricas é popular, por exemplo. Aqui, certos novos equivalentes de partículas conhecidas que são massivas e interagem fracamente com a matéria comum constituem a matéria escura. Naturalmente, muitos grupos de físicos experimentais também procuram vestígios dessa nova física. Cada um deles, com base em suposições teóricas, realiza um determinado projeto de pesquisa, e então lida com a análise e interpretação dos dados que fluem dele. Isso quase sempre é feito no contexto de um, geralmente bastante estreito, campo da física, e uma teoria para o que pode estar além do Modelo Padrão.

"A ideia da Colaboração GAMBIT é criar ferramentas para analisar dados de tantos experimentos quanto possível, de diferentes áreas da física, e compará-los de perto com as previsões de novas teorias. Olhando de forma abrangente, é possível estreitar as áreas de pesquisa de nova física muito mais rápido, e ao longo do tempo também eliminar aqueles modelos cujas previsões não foram confirmadas nas medições, "explica o Dr. Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

A ideia de construir um conjunto de ferramentas de software modulares para a análise global de dados observacionais de experimentos físicos surgiu em 2012, em Melbourne, durante uma conferência internacional sobre física de altas energias. Atualmente, o grupo GAMBIT inclui mais de 30 pesquisadores de instituições científicas da Austrália, França, Espanha, Os Países Baixos, Canadá, Noruega, Polônia, os Estados Unidos, Suíça, Suécia e Grã-Bretanha. O Dr. Chrzaszcz se juntou à equipe GAMBIT há três anos para desenvolver ferramentas para modelar a física de quarks massivos, com referência particular aos quarks de beleza (geralmente esse campo da física tem um nome muito mais cativante:física de sabor pesado).

A verificação das novas propostas de física ocorre na Colaboração GAMBIT da seguinte forma:Os cientistas escolhem um modelo teórico e o constroem no software. O programa então verifica os valores dos parâmetros principais do modelo. Para cada conjunto de parâmetros, as previsões são calculadas e comparadas com os dados dos experimentos.

"Na prática, nada é trivial aqui. Existem modelos em que temos até 128 parâmetros livres. Imagine digitalizar em um espaço de 128 dimensões - é algo que mata qualquer computador. Portanto, no inicio, nos limitamos a três versões de modelos supersimétricos mais simples, conhecido pelas abreviações CMSSM, NUHM1 e NUHM2. Eles têm cinco, seis e sete parâmetros livres, respectivamente. Mas mesmo assim as coisas ficam complicadas, Porque, por exemplo, conhecemos apenas alguns dos outros parâmetros do modelo padrão com certa precisão. Portanto, eles devem ser tratados como parâmetros livres também, mudando apenas em menor grau do que os novos parâmetros físicos, "diz o Dr. Chrzaszcz.

A escala do desafio é melhor demonstrada pelo tempo total gasto para todos os cálculos da Colaboração GAMBIT até o momento. Eles foram realizados no supercomputador Prometheus, um dos computadores mais rápidos do mundo. O dispositivo, operando no Centro Acadêmico de Computação CYFRONET da Universidade de Ciência e Tecnologia de Cracóvia, tem mais de 53, 000 núcleos de processamento e um poder de computação total de 2, 399 teraflops (um milhão de operações de ponto flutuante por segundo). Apesar do uso de equipamentos tão poderosos, o tempo total de trabalho dos núcleos na Colaboração GAMBIT foi de 80 milhões de horas (mais de 9, 100 anos).

"Esses cálculos demorados são, entre outras coisas, uma consequência da diversidade dos dados medidos. Por exemplo, grupos dos principais experimentos do LHC publicam exatamente os resultados medidos pelos detectores. Mas cada detector distorce o que vê de alguma forma. Antes de comparar os dados com as previsões do modelo que está sendo verificado, as distorções introduzidas pelo detector devem ser removidas deles, "explica o Dr. Chrzaszcz, e adiciona, "Do lado da astrofísica, temos que realizar um procedimento semelhante. Por exemplo, devem ser realizadas simulações sobre como novos fenômenos da física afetariam o comportamento do halo galáctico de matéria escura. "

Para quem busca uma nova física, a Colaboração GAMBIT não traz as melhores notícias. As análises sugerem que se as partículas supersimétricas preditas pelos modelos estudados existem, suas massas devem ser da ordem de muitos teraeletronvolts (na física de partículas, a massa das partículas é dada em unidades de energia, um elétron-volt corresponde à energia necessária para deslocar o elétron entre pontos com uma diferença de potencial de um volt). Na prática, isso significa que ver essas partículas no LHC será muito difícil ou mesmo impossível. Mas também há uma sombra de esperança. Algumas superpartículas, neutralinos, charginos, staus e pára, embora tenha massas bastante grandes, não exceda um teraeletronvolt. Com alguma sorte, sua detecção no LHC continua possível. Infelizmente, neste grupo, apenas o neutralino é considerado um candidato potencial para matéria escura.

Ao contrário de muitas outras ferramentas de pesquisa analítica, os códigos de todos os módulos GAMBIT estão publicamente disponíveis no site do projeto e podem ser rapidamente adaptados para a análise de novos modelos teóricos. Pesquisadores da Colaboração GAMBIT esperam que a abertura do código acelere a busca por novas físicas.