Ungefär som två vänliga grannar som träffas för att chatta över en kopp kaffe, de små partiklarna i vår subatomära värld kommer också samman för att delta i ett slags samtal. Nu, kärntekniska forskare utvecklar verktyg för att låta dem lyssna på partiklarnas gabbfest och lära sig mer om hur de håller ihop för att bygga vårt synliga universum.

Jozef Dudek är personalvetare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Jefferson Lab och biträdande professor i fysik vid William &Mary. Han och hans kollegor genomförde nyligen de första komplexa beräkningarna av en partikel som kallas sigma. De publicerade resultatet i Fysiska granskningsbrev i januari.

"Sigma anses ofta vara en del av kraften som håller protoner och neutroner samman i kärnan, "Förklarade Dudek." Du kan tänka dig att det finns en kraft mellan en proton och en neutron, vilket beror på utbyte av partiklar mellan dem. En av partiklarna som en proton och en neutron kan utbyta är sigma. "

Detta utbyte av sigmapartiklar med protoner och neutroner gör att de kan kommunicera genom den starka kraften. Den starka kraften är naturens kraft som binder protoner och neutroner till kärnor. Faktiskt, den starka kraften är också ansvarig för bildandet av protoner och neutroner.

Under årtionden av djupdykning i materiens hjärta för att avslöja dess byggstenar, kärnfysiker har hittills funnit att de minsta bitarna av materia är kvarker. Det tar tre kvarkar att bygga en proton (och tre för att bygga en neutron). Dessa kvarker är bundna av den starka kraften, igen genom ett samtal mellan kvarker som manifesterar sig som utbyte av partiklar. I detta fall, kvarkerna byter starkt "lim"-partiklar som kallas gluoner.

Så, om partiklar kan konversera via utbyte av gluon med stark kraft direkt, var lämnar det sigma? Det visar sig att om en proton och en neutron är riktigt nära varandra, de kan hålla sitt samtal med en enkel byte av gluoner. Men i en rymlig kärna, det tar andra partiklar, inklusive sigma, att konversera effektivt.

"På större avstånd, det är vettigt att tänka på att utbyta mesoner mellan nukleoner, där mesoner är byggda av kvarker och gluoner själva, men liksom förpackade i begränsade paket, "Sa Dudek.

Dessa "begränsade paket" kan vara sigma, som är en meson byggd av kvarker och gluoner, eller en annan meson som heter pionen, känd för fysiker som en partikel som ofta finns hängande runt kärnan.

För att sätta ihop allt, protoner och neutroner kan chatta med det via utbyte av gluoner på korta avstånd, sigma mesoner på medellånga avstånd och pioner på större avstånd.

Beräknar materiens hjärta

Om allt låter ganska komplicerat, det är för att det är det. Dudek och hans kollegor är de första som beräknar sigmapartikeln direkt från teorin som beskriver den starka kraften, partiklarna som interagerar genom denna kraft och naturen av dessa interaktioner. Denna teori kallas kvantkromodynamik eller helt enkelt QCD.

Faktiskt, dessa beräkningar var så komplicerade, superdatorer krävdes för att uppnå prestationen.

Enligt Robert Edwards, en senior personalvetare i Jefferson Labs Center for Theoretical and Computational Physics, QCD -beräkningarna krävde flera superdatorers särskilda insats.

Den första delen av beräkningarna utfördes på Titan, en superdator baserad på Oak Ridge Leadership Computing Facility, en DOE Office of Science User Facility på DOE's Oak Ridge National Laboratory i Tennessee, och Blue Waters superdator vid University of Illinois i Urbana-Champaign.

Edwards sa att dessa första beräkningar användes för att utveckla ögonblicksbilder av omgivningen av subatomära partiklar, eller "vakuum" i rymden som beskrivs av QCD.

"Vakuumet är inte en tom plats, det suger av energi, "Edwards förklarar." Och energi manifesteras som elektriska och magnetiska fluktuationer, som kan ses som den starka kraftens lim. Så, vad QCD gör är att titta på styrkan hos dessa fält vid varje punkt i rymden. "

Dessa ögonblicksbilder av det fluktuerande vakuumet kan tänkas som ytan på en damm som regnar på, med regndropparna som orsakar krusningar på dammen. Varje ögonblicksbild av dammens yta motsvarar en ögonblicksbild av vakuumet. Han sa att 485 ögonblicksbilder genererades av Titans superdator.

Tittar på scenarierna

För den andra delen av beräkningarna, kvarker har lagts till i ögonblicksbilden. När kvarkar rör sig genom vakuumet, de svarar på sin miljö. Deras möjliga rörelser, kallas "propagatorer, "beräknades med hjälp av Titan och Blue Waters superdatorer. För varje ögonblicksbild av vakuumet, 800, 000 sådana förökare beräknades.

Med förökarna på plats, flera olika scenarier drogs sedan upp för hur specifika kvarkar kommer att interagera med varandra när de sprids genom tiden. För varje scenario, superdatorn beräknar sannolikheten inom teorin om QCD att kvarkerna sannolikt kommer att interagera på det sättet.

"Vi måste utvärdera en kvantitet som kallas en korrelationsfunktion. Korrelationsfunktionen säger att du har någon konfiguration av kvarker, och du ser utbredningen när de går igenom tiden, "Edwards förklarar." Denna korrelationsfunktion mäter effektivt korrelationen, eller dess styrka, mellan dess första konfiguration av kvarker och dess slutliga konfiguration av kvarker. "

Fortsätter vår analogi av regndropparna på dammen, tänk dig nu att en gummianka har lagts till i dammen. Korrelationsfunktionsberäkningarna avgör hur sannolikt det är att gummiankan flyter från en punkt till en annan på dammen.

Var och en av de 485 konfigurationerna simulerades många gånger för att bestämma sannolikheten för varje scenario, ger cirka 15 miljoner resultat för jämförelse. Beräkningarna utfördes på Jefferson Labs LQCD -kluster våren och sommaren 2016.

Sigma kommer till liv

Efter att alla beräkningar hade räknats upp, forskarna fann att om rätt kvarkar är närvarande, sigma kan, verkligen, genereras av den starka kraften.

Efter årtionden av att få korta glimtar av sigmas flyktiga existens från experimentella data som visar dess effekter på andra subatomära partiklar, Dudek och Edwards säger att denna beräkning nu ger forskare ett nytt sätt att studera denna svårfångade partikel.

"Det är verkligen ett första steg mot att förstå vad sigma är. Finns det verkligen inom teorin? Tydligen, det gör det, "Förklarade Dudek.

Sigmas egenskaper i sina beräkningar tycks stämma överens med vad forskare har förväntat sig av verkliga sigmas egenskaper. Vad mer, nu när dessa beräkningar har visat att det är möjligt att applicera superdatorer på beräkningar av en svårfångad partikel som sigma, detta kan mycket väl öppna dörren för beräkningar av andra kortlivade partiklar.

"Vi har visat att vi kan visa att det finns inom QCD. Nu, frågorna är:Vad är det? Hur bildas det? Varför existerar den här saken? Finns det ett sätt att förstå det helt enkelt? "Sa Dudek." Kan vi ta upp dessa frågor, nu när vi har en noggrann teknik för att studera detta objekt inom QCD? Och det är något för framtiden. "

Och att studera den svårfångade sigman kan tillåta forskare sin första glimt av denna aspekt av den starka kraft som existerar bara djupt inne i materiens hjärta. Det kan ge dem en chans att avlyssna, om du vill, på kraften när det gäller sin verksamhet att bygga upp vårt universum.