På deras strävan att avslöja vad universum består av, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory utnyttjar superdatorernas kraft för att göra förutsägelser om partikelinteraktioner som är mer exakta än någonsin tidigare.

Argonne-forskare har utvecklat en ny teoretisk metod, idealiskt för högpresterande datorsystem, som är kapabel att göra prediktiva beräkningar om partikelinteraktioner som överensstämmer nästan exakt med experimentella data. Detta nya tillvägagångssätt skulle kunna ge forskare ett värdefullt verktyg för att beskriva ny fysik och partiklar utöver de som för närvarande identifieras.

Ramverket gör förutsägelser baserade på standardmodellen, teorin som beskriver universums fysik efter bästa kunskap. Forskare kan nu jämföra experimentella data med förutsägelser som genereras genom detta ramverk, för att potentiellt upptäcka avvikelser som skulle kunna indikera existensen av ny fysik bortom Standardmodellen. En sådan upptäckt skulle revolutionera vår förståelse av naturen på de minsta mätbara längdskalorna.

"Än så länge, Standardmodellen för partikelfysik har varit mycket framgångsrik när det gäller att beskriva de partikelinteraktioner vi har sett experimentellt, men vi vet att det finns saker som den här modellen inte beskriver helt. Vi känner inte till hela teorin, " sa Argonne-teoretikern Radja Boughezal, som utvecklade ramverket med sitt team.

"Det första steget i att upptäcka hela teorin och nya modeller innebär att leta efter avvikelser med avseende på den fysik vi kan just nu. Vår förhoppning är att det finns avvikelser, för det skulle betyda att det finns något som vi inte förstår där ute, " Hon sa.

Den teoretiska metoden som utvecklats av Argonne-teamet används för närvarande på Mira, en av de snabbaste superdatorerna i världen, som är inrymt på Argonne Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility.

Använder Mira, forskare använder det nya ramverket för att analysera produktionen av saknad energi i samband med ett jetplan, en partikelinteraktion av särskilt intresse för forskare vid Large Hadron Collider (LHC) i Schweiz.

Fysiker vid LHC försöker producera nya partiklar som är kända för att existera i universum men som ännu inte har setts i laboratoriet, som den mörka materien som utgör en fjärdedel av universums massa och energi.

Även om forskare idag inte har något sätt att observera mörk materia direkt - därav dess namn - tror de att mörk materia kan lämna ett "saknat energifotavtryck" i kölvattnet av en kollision som kan indikera närvaron av nya partiklar som inte ingår i standardmodellen. Dessa partiklar skulle interagera mycket svagt och därför undkomma upptäckt vid LHC. Närvaron av en "jet", en spray av standardmodellpartiklar som härrör från uppdelningen av protoner som kolliderar vid LHC, skulle märka närvaron av den annars osynliga mörka materian.

I LHC-detektorerna, dock, produktionen av en viss typ av interaktion – kallad Z-boson plus jet-processen – kan efterlikna samma signatur som den potentiella signalen som skulle uppstå från ännu okända mörk materia partiklar. Boughezal och hennes kollegor använder sitt nya ramverk för att hjälpa LHC-fysiker att skilja mellan Z-boson plus jetsignaturen som förutspås i standardmodellen från andra potentiella signaler.

Tidigare försök med mindre exakta beräkningar för att särskilja de två processerna hade så stor osäkerhet att de helt enkelt inte var användbara för att kunna dra de fina matematiska distinktionerna som potentiellt skulle kunna identifiera en ny mörk materiasignal.

"Det är bara genom att beräkna Z-boson plus jetprocessen mycket exakt som vi kan avgöra om signaturen verkligen är vad standardmodellen förutspår, eller om uppgifterna indikerar närvaron av något nytt, sa Frank Petriello, en annan Argonne-teoretiker som hjälpte till att utveckla ramverket. "Det här nya ramverket öppnar dörren för att använda Z-boson plus jetproduktion som ett verktyg för att upptäcka nya partiklar bortom standardmodellen."

Tillämpningar för denna metod går långt utöver studier av Z-boson plus jet. Ramverket kommer inte bara att påverka forskningen vid LHC, men också studier på framtida kolliderar som kommer att ha allt mer exakta, data av hög kvalitet, sa Boughezal och Petriello.

"Dessa experiment har blivit så exakta, och experimentalister kan nu mäta saker så bra, att det har blivit nödvändigt att ha dessa typer av högprecisionsverktyg för att förstå vad som händer i dessa kollisioner, " sa Boughezal.

"Vi är också så lyckliga att ha superdatorer som Mira, för nu är det ögonblick då vi behöver dessa kraftfulla maskiner för att uppnå den precisionsnivå vi letar efter; utan dem, detta arbete skulle inte vara möjligt."