Duas décadas atrás, um experimento no Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA (DOE) apontou uma misteriosa incompatibilidade entre a teoria da física de partículas estabelecida e as medições reais de laboratório. Quando os pesquisadores avaliaram o comportamento de uma partícula subatômica chamada muon, os resultados não concordam com os cálculos teóricos, representando um desafio potencial para o Modelo Padrão - nosso entendimento atual de como o universo funciona.

Desde então, cientistas de todo o mundo têm tentado verificar essa discrepância e determinar seu significado. A resposta pode sustentar o modelo padrão, que define todas as partículas subatômicas conhecidas e como elas interagem, ou introduzir a possibilidade de uma física inteiramente desconhecida. Uma equipe de pesquisa multi-institucional (incluindo Brookhaven, Universidade Columbia, e as universidades de Connecticut, Nagoya e Regensburg, RIKEN) usaram o supercomputador Mira do Laboratório Nacional de Argonne para ajudar a restringir as possíveis explicações para a discrepância, entregando um cálculo teórico recém-preciso que refina uma peça deste quebra-cabeça muito complexo. O trabalho, financiado em parte pelo DOE's Office of Science, por meio de seus programas de Office of High Energy Physics e Advanced Scientific Computing Research, foi publicado no jornal Cartas de revisão física .

Um múon é uma versão mais pesada do elétron e tem a mesma carga elétrica. A medição em questão é do momento magnético do múon, que define como a partícula oscila quando interage com um campo magnético externo. O experimento de Brookhaven anterior, conhecido como Muon g-2, examinaram múons enquanto interagiam com um anel de armazenamento eletroímã de 15 metros de diâmetro. Os resultados experimentais divergiram do valor previsto pela teoria por uma quantidade extremamente pequena medida em partes por milhão, mas no reino do Modelo Padrão, essa diferença é grande o suficiente para ser notável.

"Se você levar em conta as incertezas tanto nos cálculos quanto nas medições, não podemos dizer se isso é uma discrepância real ou apenas uma flutuação estatística, "disse Thomas Blum, um físico da Universidade de Connecticut que foi coautor do artigo. "Portanto, tanto experimentalistas quanto teóricos estão tentando melhorar a nitidez de seus resultados."

Como Taku Izubuchi, um físico do Brookhaven Lab que é co-autor do artigo, observado, "Os físicos têm tentado entender o momento magnético anômalo do múon comparando cálculos teóricos precisos e experimentos precisos desde a década de 1940. Essa sequência de trabalho levou a muitas descobertas na física de partículas e continua a expandir os limites de nosso conhecimento e capacidades em teoria e experimento. "

Se a discrepância entre os resultados experimentais e as previsões teóricas for realmente real, isso significaria que algum outro fator - talvez alguma partícula ainda a ser descoberta - está fazendo com que o múon se comporte de maneira diferente do esperado, e o Modelo Padrão precisaria ser revisado.

O trabalho da equipe se concentrava em um aspecto notoriamente difícil da anomalia envolvendo a força forte, que é uma das quatro forças básicas da natureza que governam como as partículas interagem, junto com fraco, eletromagnético, e força gravitacional. As maiores incertezas nos cálculos do múon vêm das partículas que interagem por meio da força forte, conhecidas como contribuições hadrônicas. Essas contribuições hadrônicas são definidas por uma teoria chamada cromodinâmica quântica (QCD).

Os pesquisadores usaram um método chamado lattice QCD para analisar um tipo de contribuição hadrônica, espalhamento luz por luz. "Para fazer o cálculo, simulamos o campo quântico em uma pequena caixa cúbica que contém o processo de espalhamento luz por luz no qual estamos interessados, "disse Luchang Jin, um físico da Universidade de Connecticut e co-autor do artigo. "Podemos facilmente terminar com milhões de pontos no tempo e no espaço na simulação."

Foi aí que Mira entrou. A equipe usou o supercomputador, alojado no Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), para resolver as equações matemáticas complexas de QCD, que codificam todas as interações fortes possíveis com o múon. O ALCF, um DOE Office of Science User Facility, recentemente aposentou Mira para abrir espaço para o supercomputador Aurora, mais poderoso, um sistema exascale programado para chegar em 2021.

"Mira era ideal para este trabalho, "disse James Osborn, um cientista computacional com a divisão ALCF e Ciência Computacional de Argonne. "Com quase 50, 000 nós conectados por uma rede muito rápida, nosso sistema massivamente paralelo permitiu que a equipe executasse grandes simulações com muita eficiência. "

Depois de quatro anos executando cálculos em Mira, os pesquisadores produziram o primeiro resultado para a contribuição do espalhamento hadrônico luz por luz para o momento magnético anômalo do múon, controlar todos os erros.

"Por muito tempo, muitas pessoas pensaram nessa contribuição, porque foi tão desafiador, explicaria a discrepância, "Blum disse." Mas descobrimos que as estimativas anteriores não estavam muito longe, e que o valor real não pode explicar a discrepância. "

Enquanto isso, uma nova versão do experimento Muon g-2 está em andamento no Fermi National Accelerator Laboratory, com o objetivo de reduzir a incerteza do lado experimental por um fator de quatro. Esses resultados irão adicionar mais informações ao trabalho teórico que está sendo feito agora.

"Até onde sabemos, a discrepância ainda permanece, "Blum disse." Estamos esperando para ver se os resultados juntos apontam para uma nova física, ou se o modelo padrão atual ainda é a melhor teoria que temos para explicar a natureza. "