Uma colaboração internacional de físicos teóricos - incluindo cientistas do Laboratório Nacional Brookhaven (BNL) do Departamento de Energia dos EUA (DOE) e do Centro de Pesquisa RIKEN-BNL (RBRC) - publicou um novo cálculo relevante para a busca de uma explicação da predominância de matéria sobre antimatéria em nosso universo. A colaboração, conhecido como RBC-UKQCD, também inclui cientistas do CERN (o laboratório europeu de física de partículas), Universidade Columbia, a Universidade de Connecticut, a Universidade de Edimburgo, o Instituto de Tecnologia de Massachusetts, a Universidade de Regensburg, e a Universidade de Southampton. Eles descrevem seu resultado em um artigo a ser publicado na revista. Revisão Física D e foi destacado como uma "sugestão do editor".

Os cientistas observaram pela primeira vez uma ligeira diferença no comportamento da matéria e da antimatéria - conhecida como violação da "simetria CP" - enquanto estudavam os decaimentos de partículas subatômicas chamadas kaons em um experimento ganhador do Prêmio Nobel no Laboratório de Brookhaven em 1963. Enquanto o modelo padrão de a física das partículas foi montada logo depois disso, entender se a violação de CP observada em decaimentos Kaon de acordo com o Modelo Padrão provou ser elusivo devido à complexidade dos cálculos necessários.

O novo cálculo fornece uma previsão mais precisa da probabilidade com que os kaons decaem em um par de píons eletricamente carregados contra um par de píons neutros. Compreender esses declínios e comparar a previsão com medições experimentais de última geração feitas no CERN e no Laboratório Nacional de Aceleração de Fermi do DOE oferece aos cientistas uma maneira de testar as pequenas diferenças entre matéria e antimatéria, e busca por efeitos que não podem ser explicados pelo Modelo Padrão.

O novo cálculo representa uma melhoria significativa em relação ao resultado anterior do grupo, publicado em Cartas de revisão física em 2015. Com base no modelo padrão, ele fornece uma faixa de valores para o que é chamado de "violação direta da simetria do CP" em decaimentos Kaon que é consistente com os resultados medidos experimentalmente. Isso significa que a violação de CP observada é agora, para o melhor de nosso conhecimento, explicado pelo modelo padrão, mas a incerteza na previsão precisa ser melhorada, uma vez que também há uma oportunidade de revelar quaisquer fontes de assimetria matéria / antimatéria que estejam além da descrição da teoria atual de nosso mundo.

"Um cálculo teórico ainda mais preciso do Modelo Padrão pode ainda estar fora da faixa medida experimentalmente. Portanto, é de grande importância que continuemos nosso progresso, e refinar nossos cálculos, para que possamos fornecer um teste ainda mais forte de nosso entendimento fundamental, "disse o teórico do laboratório de Brookhaven, Amarjit Soni.

Desequilíbrio de matéria / antimatéria

"A necessidade de uma diferença entre matéria e antimatéria está embutida na teoria moderna do cosmos, "disse Norman Christ, da Universidade de Columbia." Nosso entendimento atual é que o universo atual foi criado com quantidades quase iguais de matéria e antimatéria. Exceto pelos pequenos efeitos que estão sendo estudados aqui, matéria e antimatéria devem ser idênticas em todos os sentidos, além das escolhas convencionais, como atribuir carga negativa a uma partícula e carga positiva à sua antipartícula. Alguma diferença em como esses dois tipos de partículas operam deve ter inclinado a balança para favorecer a matéria em relação à antimatéria, " ele disse.

"Quaisquer diferenças de matéria e antimatéria que foram observadas até agora são muito fracas para explicar a predominância de matéria encontrada em nosso universo atual, "ele continuou." Encontrar uma discrepância significativa entre uma observação experimental e previsões baseadas no Modelo Padrão apontaria potencialmente o caminho para novos mecanismos de interação de partículas que estão além de nosso entendimento atual - e que esperamos encontrar para ajudar a explicar esse desequilíbrio . "

Modelagem de interações de quark

Todos os experimentos que mostram uma diferença entre matéria e antimatéria envolvem partículas feitas de quarks, os blocos de construção subatômicos que se ligam através da força forte para formar prótons, nêutrons, e núcleos atômicos - e também partículas menos familiares, como kaons e píons.

"Cada kaon e píon é feito de um quark e um antiquark, cercado por uma nuvem de pares virtuais de quark-antiquark, e unidos por portadores de força chamados glúons, "explicou Christopher Kelly, do Laboratório Nacional de Brookhaven.

Os cálculos baseados no modelo padrão de como essas partículas se comportam devem, portanto, incluir todas as possíveis interações dos quarks e glúons, conforme descrito pela teoria moderna de interações fortes, conhecido como cromodinâmica quântica (QCD).

Além disso, essas partículas ligadas movem-se perto da velocidade da luz. Isso significa que os cálculos também devem incluir os princípios da relatividade e da teoria quântica, que governam tais interações de partículas próximas à velocidade da luz.

"Por causa do grande número de variáveis ​​envolvidas, estes são alguns dos cálculos mais complicados de toda a física, "observou Tianle Wang, da Universidade de Columbia.

Desafio computacional

Para vencer o desafio, os teóricos usaram uma abordagem de computação chamada lattice QCD, que "coloca" as partículas em uma rede de espaço-tempo quadridimensional (três dimensões espaciais mais o tempo). Essa estrutura semelhante a uma caixa permite mapear todos os caminhos quânticos possíveis para o kaon inicial decair até os dois píons finais. O resultado se torna mais preciso conforme o número de pontos da rede aumenta. Wang observou que a "integral de Feynman" para o cálculo relatado aqui envolveu a integração de 67 milhões de variáveis!

Esses cálculos complexos foram feitos usando supercomputadores de última geração. A primeira parte do trabalho, gerar amostras ou instantâneos dos campos de quark e gluon mais prováveis, foi realizado em supercomputadores localizados nos EUA, Japão, e o Reino Unido. A segunda e mais complexa etapa de extração das amplitudes reais de decaimento do Kaon foi realizada no National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), uma instalação de usuário do DOE Office of Science no Lawrence Berkeley National Laboratory do DOE.

Mas usar os computadores mais rápidos não é suficiente; esses cálculos ainda só são possíveis, mesmo nesses computadores, ao usar códigos de computador altamente otimizados, desenvolvido para o cálculo pelos autores.

"A precisão dos nossos resultados não pode ser aumentada significativamente simplesmente realizando mais cálculos, "Kelly disse." Em vez disso, para apertar nosso teste do Modelo Padrão, devemos agora superar uma série de desafios teóricos mais fundamentais. Nossa colaboração já fez avanços significativos na resolução desses problemas e juntamente com melhorias nas técnicas computacionais e o poder dos supercomputadores DOE do futuro próximo, esperamos obter resultados muito melhores nos próximos três a cinco anos. "