Olhe mais fundo no coração do átomo do que qualquer microscópio permite e os cientistas acreditam que você encontrará um rico mundo de partículas entrando e saindo do vácuo, decaindo em outras partículas, e aumentando a estranheza do mundo visível. Essas partículas subatômicas são governadas pela natureza quântica do Universo e são tangíveis, forma física em resultados experimentais.

Algumas partículas subatômicas foram descobertas há mais de um século, com experimentos relativamente simples. Mais recentemente, Contudo, o esforço para compreender essas partículas gerou o maior, experimentos mais ambiciosos e complexos do mundo, incluindo aqueles em laboratórios de física de partículas, como a Organização Europeia para Pesquisa Nuclear (CERN) na Europa, Fermilab em Illinois, e a Organização de Pesquisa do Acelerador de Alta Energia (KEK) no Japão.

Esses experimentos têm a missão de expandir nossa compreensão do Universo, caracterizado de forma mais harmoniosa no Modelo Padrão da física de partículas; e olhar além do Modelo Padrão para a física ainda desconhecida.

"O modelo padrão explica muito do que observamos nas partículas elementares e na física nuclear, mas deixa muitas perguntas sem resposta, "disse Steven Gottlieb, distinto professor de Física da Universidade de Indiana. "Estamos tentando desvendar o mistério do que está além do Modelo Padrão."

Desde o início do estudo da física de partículas, abordagens experimentais e teóricas complementaram-se na tentativa de compreender a natureza. Nas últimas quatro a cinco décadas, a computação avançada se tornou uma parte importante de ambas as abordagens. Grande progresso foi feito na compreensão do comportamento do zoológico de partículas subatômicas, incluindo bósons (especialmente o bóson de Higgs há muito procurado e recentemente descoberto), vários sabores de quarks, glúons, múons, neutrinos e muitos estados feitos de combinações de quarks ou anti-quarks unidos.

A teoria quântica de campos é a estrutura teórica a partir da qual o modelo padrão da física de partículas é construído. Combina a teoria de campo clássica, relatividade especial e mecânica quântica, desenvolvido com contribuições de Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, e outros. Dentro do modelo padrão, cromodinâmica quântica, ou QCD, é a teoria da forte interação entre quarks e glúons, as partículas fundamentais que constituem algumas das partículas compostas maiores, como o próton, nêutron e píon.

Perscrutando a Malha

Carleton DeTar e Steven Gottlieb são dois dos principais estudiosos contemporâneos da pesquisa QCD e praticantes de uma abordagem conhecida como lattice QCD. A rede QCD representa o espaço contínuo como um conjunto discreto de pontos do espaço-tempo (chamada rede). Ele usa supercomputadores para estudar as interações dos quarks, e mais importante, para determinar mais precisamente vários parâmetros do Modelo Padrão, reduzindo assim as incertezas em suas previsões. É uma abordagem lenta e que consome muitos recursos, mas provou ter ampla aplicabilidade, dando uma visão sobre partes da teoria inacessíveis por outros meios, em particular as forças explícitas que atuam entre quarks e antiquarks.

DeTar e Gottlieb fazem parte da Colaboração MIMD Lattice Computation (MILC) e trabalham em estreita colaboração com a Colaboração Fermilab Lattice na grande maioria de seus trabalhos. Eles também trabalham com a Colaboração High Precision QCD (HPQCD) para o estudo do momento magnético anômalo do múon. Como parte desses esforços, eles usam os supercomputadores mais rápidos do mundo.

Desde 2019, eles usaram o Frontera no Texas Advanced Computing Center (TACC) - o supercomputador acadêmico mais rápido do mundo e o nono mais rápido no geral - para impulsionar seu trabalho. Eles estão entre os maiores usuários desse recurso, que é financiado pela National Science Foundation. A equipe também usa o Summit no Oak Ridge National Laboratory (o supercomputador nº 2 mais rápido do mundo); Cori no Centro Nacional de Computação Científica de Pesquisa Energética (# 20), e Stampede2 (# 25) em TACC, para os cálculos da rede.

Os esforços da comunidade QCD da rede ao longo de décadas trouxeram maior precisão às previsões de partículas por meio de uma combinação de computadores mais rápidos e algoritmos e metodologias aprimorados.

"Podemos fazer cálculos e previsões com alta precisão de como funcionam as interações fortes, "disse DeTar, professor de Física e Astronomia da Universidade de Utah. "Quando comecei como estudante de pós-graduação no final dos anos 1960, algumas de nossas melhores estimativas estavam dentro de 20 por cento dos resultados experimentais. Agora podemos obter respostas com precisão de sub-percentual. "

Na física de partículas, experimento físico e teoria viajam juntos, informando uns aos outros, mas às vezes produzindo resultados diferentes. Essas diferenças sugerem áreas de maior exploração ou melhoria.

"Existem algumas tensões nesses testes, "disse Gottlieb, distinto professor de Física da Universidade de Indiana. "As tensões não são grandes o suficiente para dizer que há um problema aqui - o requisito usual é de pelo menos cinco desvios-padrão. Mas isso significa que você torna a teoria e o experimento mais precisos e descobre que o acordo é melhor; ou você o faz e você descobrir, 'Espere um minuto, o que era a tensão de três sigma agora é uma tensão de cinco desvios padrão, e talvez realmente tenhamos evidências para uma nova física. '"

DeTar chama essas pequenas discrepâncias entre teoria e experimento de "torturantes". "Eles podem estar nos dizendo algo."

Nos últimos anos, DeTar, Gottlieb e seus colaboradores seguiram os caminhos dos quarks e antiquarks com resolução cada vez maior à medida que se moviam por uma nuvem de glúons e pares virtuais de quark-antiquarks, conforme prescrito precisamente pela QCD. Os resultados do cálculo são usados ​​para determinar quantidades fisicamente significativas, como massas e decaimentos de partículas.

Uma das abordagens de última geração que é aplicada pelos pesquisadores usa o chamado formalismo de quark escalonado altamente aprimorado (HISQ) para simular interações de quarks com glúons. Em Frontera, DeTar e Gottlieb estão atualmente simulando em um espaçamento de rede de 0,06 femtômetros (10 ^-15 metros), mas eles estão se aproximando rapidamente de seu objetivo final de 0,03 femtômetros, uma distância onde o espaçamento da rede é menor do que o comprimento de onda do quark mais pesado, conseqüentemente removendo uma fonte significativa de incerteza desses cálculos.

Cada duplicação da resolução, Contudo, requer cerca de duas ordens de magnitude mais poder de computação, colocar um espaçamento de rede de femtômetros de 0,03 firmemente no regime de 'exascale' que se aproxima rapidamente.

"Os custos dos cálculos continuam aumentando à medida que você diminui o espaçamento da rede, "DeTar disse." Para espaçamentos de rede menores, estamos pensando nas futuras máquinas do Departamento de Energia e no Leadership Class Computing Facility [o futuro sistema de planejamento da TACC]. Mas podemos nos contentar com extrapolações agora. "

O momento magnético anômalo do múon e outros mistérios notáveis

Entre os fenômenos que DeTar e Gottlieb estão enfrentando está o momento magnético anômalo do múon (essencialmente um elétron pesado) - que, na teoria quântica de campos, surge de uma nuvem fraca de partículas elementares que envolve o múon. O mesmo tipo de nuvem afeta o decaimento das partículas. Os teóricos acreditam que partículas elementares ainda não descobertas poderiam potencialmente estar naquela nuvem.

Uma grande colaboração internacional chamada Muon g-2 Theory Initiative recentemente revisou o estado atual do cálculo do Modelo Padrão do momento magnético anômalo do múon. A crítica deles apareceu em Relatórios de Física em dezembro de 2020. DeTar, Gottlieb e vários de seus Fermilab Lattice, Colaboradores HPQCD e MILC estão entre os co-autores. Eles encontram uma diferença de desvio padrão de 3,7 entre o experimento e a teoria.

"... os processos que foram importantes na instância mais antiga do Universo envolvem as mesmas interações com as quais estamos trabalhando aqui. Então, os mistérios que estamos tentando resolver no microcosmo podem muito bem fornecer respostas para os mistérios na escala cosmológica também. "

Carleton DeTar, Professor de Física, University of Utah; embora algumas partes das contribuições teóricas possam ser calculadas com extrema precisão, as contribuições hadrônicas (a classe de partículas subatômicas que são compostas por dois ou três quarks e participam de fortes interações) são as mais difíceis de calcular e são responsáveis ​​por quase toda a incerteza teórica. Lattice QCD é uma das duas maneiras de calcular essas contribuições.

"A incerteza experimental em breve será reduzida em até um fator de quatro pelo novo experimento atualmente em execução no Fermilab, e também pelo futuro experimento J-PARC, "eles escreveram." Isso e as perspectivas de reduzir ainda mais a incerteza teórica no futuro próximo ... tornam esta quantidade um dos lugares mais promissores para procurar evidências de uma nova física. "

Gottlieb, DeTar e colaboradores calcularam a contribuição hadrônica para o momento magnético anômalo com uma precisão de 2,2 por cento. "Isso nos dá confiança de que nossa meta de curto prazo de alcançar uma precisão de 1 por cento na contribuição hadrônica para o momento magnético anômalo do múon é agora realista, "Disse Gottlieb. Eles esperam atingir uma precisão de 0,5 por cento alguns anos depois.

Outras dicas "tentadoras" de nova física envolvem medições da decadência dos mésons B. Lá, vários métodos experimentais chegam a resultados diferentes. "As propriedades de decaimento e misturas dos mésons D e B são críticas para uma determinação mais precisa de vários dos parâmetros menos conhecidos do Modelo Padrão, "Gottlieb disse." Nosso trabalho é melhorar as determinações das massas da alta, baixa, estranho, charme e quarks bottom e como eles se misturam sob decaimentos fracos. "A mistura é descrita pela chamada matriz de mistura CKM, pela qual Kobayashi e Maskawa ganharam o Prêmio Nobel de Física de 2008.

As respostas que DeTar e Gottlieb buscam são as mais fundamentais na ciência:de que é feita a matéria? E de onde veio isso?

"O Universo está muito conectado de várias maneiras, "disse DeTar." Queremos entender como o Universo começou. O entendimento atual é que tudo começou com o Big Bang. E os processos que foram importantes nas primeiras instâncias do Universo envolvem as mesmas interações com as quais estamos trabalhando aqui. Então, os mistérios que estamos tentando resolver no microcosmo podem muito bem fornecer respostas para os mistérios na escala cosmológica também. "