Usando alguns dos supercomputadores mais poderosos do mundo, uma equipe internacional, incluindo cientistas de vários laboratórios nacionais do Departamento de Energia dos EUA (DOE), lançou o cálculo de mais alta precisão de uma propriedade fundamental de prótons e nêutrons conhecida como acoplamento axial de núcleos. Essa quantidade determina a força da interação que desencadeia a decomposição dos nêutrons em prótons - e pode, portanto, ser usada para prever com mais precisão por quanto tempo se espera que os nêutrons "vivam". Os resultados aparecem em Natureza .

"O fato de que nêutrons decaem em prótons é muito, fato muito importante no universo, "disse Enrico Rinaldi, um pesquisador de pós-doutorado especial no RIKEN BNL Research Center no Brookhaven National Laboratory do DOE, que estava envolvido no desenvolvimento de simulações essenciais para o novo cálculo. "Basicamente, conta como os núcleos atômicos - feitos de prótons e nêutrons - foram criados após o Big Bang."

A vida útil dos nêutrons também influencia a abundância relativa de átomos como hidrogênio e hélio no universo hoje, e como esse equilíbrio afetará a formação de estrelas futuras.

O novo cálculo também pode ajudar os cientistas a determinar qual das duas abordagens para medir experimentalmente a vida útil dos nêutrons é mais precisa - e se a discrepância de vários segundos entre as duas poderia apontar para a existência de partículas ainda a serem descobertas.

O esforço para calcular o acoplamento axial, liderado por André Walker-Loud do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley do DOE (Berkeley Lab), utilizou recursos de computação no Lawrence Livermore National Laboratory e no Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Oak Ridge National Laboratory do DOE.

"Este foi um projeto intenso de dois anos e meio que só surgiu por causa da grande equipe de pessoas que trabalhava nele, "Walker-Loud disse.

Detalhes da decadência de nêutrons

Quando você pensa nos átomos que constituem as coisas do nosso mundo hoje, você provavelmente pensa nos nêutrons como relativamente estáveis. Uma mesa de madeira, feito de muitos átomos de carbono, por exemplo, não parece decair de nenhuma maneira apreciável.

Mas se você puxou um nêutron isolado de um desses átomos de carbono, ele se transformaria em um próton, na média, em menos de 15 minutos.

O processo que faz isso acontecer é uma interação mecânica quântica entre partículas externas chamadas bósons W com os blocos de construção internos do nêutron, conhecidos como quarks e glúons. Essa interação muda a identidade de um dos quarks constituintes e, portanto, a identidade geral da partícula.

Mas essa é uma imagem excessivamente simplista, Disse Rinaldi. "Isso é o que aconteceria com energia muito alta, onde podemos aproximar os quarks e glúons como objetos livres."

No mundo real, com energia mais baixa, quarks e glúons são confinados, ou unidos dentro de partículas como prótons e nêutrons, Rinaldi explicou. E esses quarks e glúons interagem fortemente uns com os outros de inúmeras maneiras.

"Não podemos dizer exatamente quais são as velocidades e posições de todos os constituintes dentro do nêutron. É um feixe mecânico quântico de quarks e glúons e as interações entre eles, "Rinaldi disse. A força da interação do bóson W que dispara o decaimento dos nêutrons depende de um valor determinado pela soma composta de todas essas interações internas.

"O que o bóson W vê é a constante de acoplamento axial do núcleo, um número que parametriza todas as interações que o bóson W poderia ter com os constituintes dentro do nêutron, "Disse Rinaldi.

Executando o experimento de supercomputação

Para calcular a constante de acoplamento axial, ou g? A, os físicos usam supercomputadores poderosos para resolver as equações da cromodinâmica quântica (QCD) - a teoria da força nuclear forte, que governa como quarks e glúons interagem. Essas equações complexas podem ser vistas como contendo mais de um milhão de variáveis ​​que respondem por todas as possíveis interações dentro do microcosmo abundante de um nêutron. Eles seriam impossíveis de resolver sem uma técnica conhecida como lattice QCD. A rede QCD coloca as partículas em pontos discretos em uma grade quadridimensional imaginária do espaço-tempo (três dimensões espaciais mais o tempo) para calcular todas as possíveis interações de partículas adjacentes, uma por uma, e os combina em um resultado final.

A parte computacional geral é bastante simples, Rinaldi disse, enfatizando novamente que esta é uma visão muito simplificada:"Você tem um computador e um código que resolve as equações. Você executa o código no computador, fazer análise, e extraia o resultado. É como fazer um experimento, porque há muitas etapas e partes - análogo a um acelerador de partículas, seus detectores, as colisões, e a coleta de dados - e temos que controlar cada uma dessas etapas. "

Uma das funções de Rinaldi era criar entradas para o "experimento" - uma série de simulações em que cada uma incluía uma massa diferente para o nêutron. Inflar artificialmente a massa do nêutron torna as equações mais fáceis de trabalhar, ele explicou.

"Os algoritmos se tornam cada vez mais difíceis de usar, exigindo mais tempo de computação para resolver, enquanto você tenta analisar o que acontece no mundo real. Teríamos enormes barras de erro. Mas se você alterar artificialmente a entrada para as equações - tornar os nêutrons mais massivos - isso torna mais fácil calcular. Podemos obter um resultado muito preciso para cada um desses cálculos em massas maiores, e, em seguida, coloque os resultados juntos para extrapolar para as condições do mundo real, " ele disse.

Reduzindo o ruído para extrair o sinal

Mas mudar a entrada pode fazer muito. O maior salto da equipe do Berkeley Lab em precisão (em relação a outros grupos que usaram métodos semelhantes para calcular g? A) veio de melhorias no detector "do experimento, "Disse Rinaldi.

A equipe estava interessada nas propriedades do nêutron, ele explicou. Mas as interações da mecânica quântica de quarks e glúons também podem gerar "estados excitados" que se parecem com nêutrons, mas não são nêutrons. Esses estados excitados geram "ruído" que contamina o sinal. A equipe do Berkeley Lab descobriu como filtrar o ruído para produzir um resultado que, pela primeira vez, alcançou o limite de um por cento de precisão que é um padrão-ouro para cálculos de QCD em rede.

“Ao medir o acoplamento axial, o sinal-ruído se degrada exponencialmente quanto mais tempo o nêutron viaja, "disse Chia Cheng" Jason "Chang, um pós-doutorado no Berkeley Lab que conduziu a análise. "Cálculos anteriores foram todos realizados em meio a esse ambiente mais barulhento."

"Encontramos uma maneira de extrair a medição antes que o ruído assuma e estrague o experimento, "Disse Rinaldi.

Os cientistas já usaram o novo cálculo de acoplamento axial do núcleo para derivar uma previsão puramente teórica da vida útil do nêutron. Agora mesmo, este novo valor é consistente com os resultados de ambos os tipos de medição experimental, que diferem por meros 9 segundos.

"Temos um número para a vida útil do nêutron:14 minutos e 40 segundos com uma barra de erro de 14 segundos. Isso está bem no meio dos valores medidos pelos dois tipos de experimentos, com uma barra de erro que é grande e se sobrepõe a ambos, "Disse Rinaldi.

Com mais estatísticas de supercomputadores mais poderosos, a equipe de pesquisa espera reduzir a margem de incerteza para cerca de 0,3%. "É aí que podemos realmente começar a discriminar entre os resultados dos dois métodos experimentais diferentes de medição da vida útil dos nêutrons, "Disse Chang." Essa é sempre a parte mais empolgante:quando a teoria tem algo a dizer sobre o experimento. "

Em última análise, Rinaldi disse, este e outros cálculos habilitados pela técnica computacional da equipe podem melhorar nossa compreensão de prótons e nêutrons, e ajudar a responder a outras questões pendentes sobre física nuclear, matéria escura, e a natureza do universo.