Elementarpartiklarna i ny teoretisk fysik måste vara så massiva att deras upptäckt i LHC, den största moderna acceleratorn, kommer inte att vara möjligt. Detta är den pessimistiska slutsatsen av den mest omfattande granskningen av observationsdata från många vetenskapliga experiment och deras konfrontation med flera populära sorter av supersymmetri teori. Det komplicerade, extremt beräkningskrävande analys, utförs av det internationella GAMBIT -samarbetet, lämnar en skugga av hopp för forskare.

GAMBIT är det globala och modulära inferensverktyget utöver standard. Forskare ifrågasätter nu om det är möjligt för LHC att upptäcka de elementära partiklarna som föreslås för att förklara sådana mysterier som den mörka materiens natur och bristen på symmetri mellan materia och antimateria. För att svara på denna fråga, GAMBIT analyserar omfattande data som samlats in under LHC -körningar. De första resultaten, som är ganska spännande för fysiker, har just publicerats i European Physical Journal C . Institutet för kärnfysik vid polska vetenskapsakademien (IFJ PAN) i Krakow deltog i teamets arbete.

Teoretiska fysiker är övertygade om att standardmodellen, nuvarande, väl verifierad teori om materiens struktur, behöver byggas ut. En stark pekare på förekomsten av okända elementarpartiklar är stjärnornas rörelser i galaxer. Den polske astronomen Marian Kowalski var den första som undersökte dessa rörelsers statistiska egenskaper. År 1859, han upptäckte att stjärnornas rörelser nära oss inte kan förklaras av solens rörelse. Detta var den första indikationen på Vintergatans rotation (Kowalski är alltså mannen som "flyttade hela galaxen från dess fundament"). År 1933, den schweiziska astrofysikern Fritz Zwicky tog nästa steg. Från hans observation av galaxer i koma -klustret, han drog slutsatsen att de rör sig runt klungorna som om det fanns en stor mängd osynlig materia där.

Även om nästan ett sekel har gått sedan Zwickys upptäckt, det är fortfarande inte möjligt att undersöka sammansättningen av mörk materia, inte ens för att entydigt bekräfta dess existens. Under denna period, teoretiker har konstruerat många förlängningar av standardmodellen som innehåller partiklar som i större eller mindre utsträckning är exotiska. Många av dessa är kandidater för mörk materia. Familjen med supersymmetriska teorier är populär, till exempel. Här, vissa nya ekvivalenter av kända partiklar som är massiva och interagerar svagt med vanlig materia utgör mörk materia. Naturligtvis, många grupper av experimentella fysiker letar också efter spår av sådan ny fysik. Varje, baserat på teoretiska antaganden, genomför ett visst forskningsprojekt, och behandlar sedan analys och tolkning av data som strömmar från den. Detta görs nästan alltid i samband med en, oftast ganska smal, fysikens område, och en teori om vad som kan vara bortom standardmodellen.

"Tanken med GAMBIT Collaboration är att skapa verktyg för att analysera data från så många experiment som möjligt, från olika fysikområden, och att jämföra dem mycket med förutsägelserna om nya teorier. Omfattande tittar, det är möjligt att begränsa sökområdena inom ny fysik mycket snabbare, och med tiden också eliminera de modeller vars förutsägelser inte har bekräftats i mätningar, "förklarar Dr Marcin Chrzaszcz (IFJ PAN).

Idén att bygga en uppsättning modulära mjukvaruverktyg för den globala analysen av observationsdata från fysiska experiment uppstod 2012 i Melbourne under en internationell konferens om högenergifysik. För närvarande, GAMBIT -gruppen omfattar mer än 30 forskare från vetenskapliga institutioner i Australien, Frankrike, Spanien, Nederländerna, Kanada, Norge, Polen, Förenta staterna, Schweiz, Sverige och Storbritannien. Dr Chrzaszcz gick med i GAMBIT -teamet för tre år sedan för att utveckla verktyg för att modellera fysiken för massiva kvarkar, med särskild hänvisning till skönhetskvarker (vanligtvis har detta fysikområde ett mycket mer catchy namn:tung smakfysik).

Verifiering av de nya fysikförslagen sker i GAMBIT -samarbetet enligt följande:Forskare väljer en teoretisk modell och bygger in den i programvaran. Programmet skannar sedan värdena för huvudmodellparametrarna. För varje uppsättning parametrar, förutsägelser beräknas och jämförs med data från experimenten.

"I praktiken, ingenting är trivialt här. Det finns modeller där vi har hela 128 lediga parametrar. Tänk dig att skanna i ett utrymme på 128 dimensioner - det är något som dödar varje dator. Därför, i början, vi begränsade oss till tre versioner av enklare supersymmetriska modeller, känd under förkortningarna CMSSM, NUHM1 och NUHM2. De har fem, sex och sju fria parametrar, respektive. Men saker blir ändå komplicerade, eftersom, till exempel, vi känner bara till några av de andra parametrarna i standardmodellen med en viss noggrannhet. Därför, de måste också behandlas som fria parametrar, bara förändras i mindre utsträckning än de nya fysikparametrarna, "säger Dr Chrzaszcz.

Utmaningens omfattning demonstreras bäst av den totala tid som tagits för alla beräkningar av GAMBIT -samarbetet hittills. De utfördes på Prometheus superdator, en av de snabbaste datorerna i världen. Enheten, verksam vid Academic Computer Center CYFRONET vid University of Science and Technology i Krakow, har över 53, 000 processorkärnor och en total datorkraft på 2, 399 teraflops (en miljon miljoner flytande operationer per sekund). Trots användningen av så kraftfull utrustning, den totala arbetstiden för kärnorna i GAMBIT Collaboration uppgick till 80 miljoner timmar (över 9, 100 år).

"Sådana långa beräkningar är, bland annat, en följd av mångfaldens mätdata. Till exempel, grupper från huvudförsöken vid LHC publicerar exakt resultaten som detektorerna mätte. Men varje detektor snedvrider vad den ser på något sätt. Innan vi jämför data med förutsägelserna för modellen som verifieras, de snedvridningar som detektorn introducerar måste tas bort från dem, "förklarar Dr Chrzaszcz, och tillägger, "På astrofysikens sida, vi måste utföra en liknande procedur. Till exempel, simuleringar bör utföras om hur nya fysikfenomen skulle påverka beteendet hos den galaktiska halo av mörk materia. "

För den som söker ny fysik, GAMBIT -samarbetet ger inte de bästa nyheterna. Analyserna tyder på att om de supersymmetriska partiklarna som förutses av de studerade modellerna finns, deras massor måste vara i storleksordningen många teraelektronvolts (i partikelfysik ges partiklarnas massa i energienheter, en elektronvolt motsvarar den energi som krävs för att flytta elektronen mellan punkter med en potentialskillnad på en volt). I praktiken, detta innebär att se sådana partiklar vid LHC kommer att vara antingen mycket svårt eller till och med omöjligt. Men det finns också en skugga av hopp. Några superpartiklar, neutralinos, charginos, stannar och stannar, även om de har ganska stora massor, inte överstiga en teraelektronvolt. Med lite tur, deras upptäckt i LHC är fortfarande möjligt. Tyvärr, i denna grupp, bara neutralin anses vara en potentiell kandidat för mörk materia.

Till skillnad från många andra analytiska forskningsverktyg, koderna för alla GAMBIT -moduler är offentligt tillgängliga på projektets webbplats och kan snabbt anpassas till analysen av nya teoretiska modeller. Forskare från GAMBIT Collaboration hoppas att kodens öppenhet kommer att påskynda sökandet efter ny fysik.