Med några av världens mest kraftfulla superdatorer, ett internationellt team med forskare från flera nationella laboratorier i amerikanska energidepartementet (DOE) har offentliggjort den högsta precisionen för en grundläggande egenskap hos protoner och neutroner som kallas nukleonaxialkoppling. Denna mängd bestämmer styrkan i interaktionen som får neutroner att förfalla till protoner - och kan därför användas för att mer exakt förutse hur länge neutroner förväntas "leva". Resultaten visas i Natur .

"Det faktum att neutroner förfaller till protoner är mycket, mycket viktigt faktum i universum, "sade Enrico Rinaldi, en särskild postdoktor vid RIKEN BNL Research Center vid DOE:s Brookhaven National Laboratory, som var med och utvecklade simuleringar som är viktiga för den nya beräkningen. "Det berättar i princip hur atomkärnor - gjorda av protoner och neutroner - skapades efter Big Bang."

Neutrons livslängd har också betydelse för det relativa överflödet av atomer som väte och helium i universum idag, och hur den balansen kommer att påverka bildandet av framtida stjärnor.

Den nya beräkningen kan också hjälpa forskare att avgöra vilket av två tillvägagångssätt för att experimentellt mäta neutrons livslängd som är mer exakt-och om skillnaden mellan de två sekunderna mellan de två potentiellt kan peka på förekomsten av ännu inte upptäckta partiklar.

Ansträngningen att beräkna den axiella kopplingen, ledd av André Walker-Loud från DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab), använde datorresurser vid Lawrence Livermore National Laboratory och Oak Ridge Leadership Computing Facility (OLCF), en användaranläggning för DOE Office of Science vid DOE's Oak Ridge National Laboratory.

"Detta var ett intensivt två och ett halvt års projekt som bara kom ihop på grund av det stora teamet av människor som arbetade med det, "Sa Walker-Loud.

Detaljer om neutronförfall

När du tänker på de atomer som utgör saker i vår värld idag, du tänker förmodligen på neutroner som relativt stabila. Ett träbord, tillverkad av massor av kolatomer, till exempel, verkar inte förfalla på något märkbart sätt.

Men om du drog ut en isolerad neutron ur en av dessa kolatomer, det skulle förvandlas till en proton, i genomsnitt, på mindre än 15 minuter.

Processen som får detta att hända är en kvantmekanisk interaktion mellan yttre partiklar som kallas W bosoner med neutronens inre byggstenar, känd som kvarker och gluoner. Denna interaktion förändrar identiteten hos en av de ingående kvarkerna och därför partikelns övergripande identitet.

Men det är en alltför förenklad bild, Sa Rinaldi. "Det är vad som skulle hända vid mycket hög energi där vi kan approximera kvarkerna och gluonerna som fria föremål."

I den verkliga världen, med lägre energi, kvarker och gluoner är begränsade, eller bundna i partiklar som protoner och neutroner, Rinaldi förklarade. Och dessa kvarker och gluoner interagerar starkt med varandra på otaliga sätt.

"Vi kan inte säga exakt vad hastigheterna och positionerna för alla beståndsdelar inuti neutronen är. Det är en kvantmekanisk bunt med kvarker och gluoner och interaktionerna mellan dem, "Sade Rinaldi. Styrkan i W boson -interaktionen som utlöser neutronförfallet beror på ett värde som bestäms av den sammansatta summan av alla dessa interna interaktioner.

"Vad W boson ser är nukleonaxialkopplingskonstanten, ett tal som parametrerar alla interaktioner som W boson kan ha med beståndsdelarna inuti neutronen, "Sa Rinaldi.

Kör superdatorförsöket

För att beräkna den axiella kopplingskonstanten, eller g? A, fysiker använder kraftfulla superdatorer för att lösa ekvationerna för kvantkromodynamik (QCD) - teorin om den starka kärnkraften, som styr hur kvarker och gluoner interagerar. Dessa komplexa ekvationer kan ses som innehålla mer än en miljon variabler som svarar för alla möjliga interaktioner inom det myllrande mikrokosmoset hos en neutron. De skulle vara omöjliga att lösa utan en teknik som kallas gitter QCD. Gitter QCD placerar partiklarna på diskreta punkter på ett imaginärt fyrdimensionellt rutnät för rymdtid (tre rumsliga dimensioner plus tid) för att beräkna alla möjliga interaktioner mellan intilliggande partiklar en efter en, och kombinerar dem sedan till ett slutresultat.

Den övergripande beräkningsdelen är ganska enkel, Rinaldi sa:understryker återigen att detta är en mycket förenklad vy:"Du har en dator och en kod som löser ekvationerna. Du kör koden på datorn, göra analys, och extrahera resultatet. Det är ungefär som att göra ett experiment eftersom det finns många steg och delar - analogt med en partikelaccelerator, dess detektorer, kollisionerna, och datainsamlingen - och vi måste kontrollera vart och ett av dessa steg. "

En av Rinaldis roller var att skapa input för "experimentet" - en serie simuleringar som var och en innehöll en annan massa för neutronen. Att artificiellt blåsa upp massan av neutronen gör ekvationerna lättare att arbeta med, han förklarade.

"Algoritmerna blir svårare och svårare att använda, kräver mer datortid för att lösa, när du försöker analysera vad som händer i den verkliga världen. Vi skulle ha enorma felstänger. Men om du artificiellt ändrar ingången till ekvationerna - gör neutronerna mer massiva - blir det lättare att beräkna. Vi kan få ett mycket exakt resultat för var och en av dessa beräkningar vid högre massor, och sedan sätta ihop resultaten för att extrapolera till de verkliga förhållandena, " han sa.

Minska bruset för att extrahera signalen

Men att ändra ingången kan bara göra så mycket. Berkeley Lab-ledda teamets största språng i precision (i förhållande till andra grupper som har använt liknande metoder för att beräkna g? A) kom från förbättringar av experimentets "detektor, "Sa Rinaldi.

Teamet var intresserat av neutronens egenskaper, han förklarade. Men kvantmekaniska interaktioner mellan kvarker och gluoner kan också generera "upphetsade tillstånd" som ser ut som neutroner men inte är neutroner. De upphetsade tillstånden genererar "brus" som förorenar signalen. Berkeley Lab -teamet räknade ut hur man filtrerar bort bullret för att få ett resultat som, för första gången, uppnått en procentsgräns för precision som är en guldstandard för QCD-beräkningar av gitter.

"Vid mätning av axialkopplingen, signal-till-brus försämras exponentiellt ju längre neutronen färdas, "sa Chia Cheng" Jason "Chang, en postdoc på Berkeley Lab som ledde analysen. "Tidigare beräkningar utfördes alla i denna mer bullriga miljö."

"Vi hittade ett sätt att extrahera mätningen innan bullret tar över och förstör experimentet, "Sa Rinaldi.

Forskarna har redan använt den nya nukleonaxialkopplingsberäkningen för att härleda en rent teoretisk förutsägelse av neutrons livstid. Just nu, detta nya värde överensstämmer med resultaten från båda typerna av experimentella mätningar, som skiljer sig med bara 9 sekunder.

"Vi har ett nummer för neutrons livslängd:14 minuter och 40 sekunder med en felstapel på 14 sekunder. Det är mitt i värdena mätt med de två typerna av experiment, med ett felfält som är stort och överlappar båda, "Sa Rinaldi.

Med mer statistik från mer kraftfulla superdatorer, forskargruppen hoppas kunna driva osäkerhetsmarginalen ner till cirka 0,3 procent. "Det är där vi faktiskt kan börja skilja på resultaten från de två olika experimentella metoderna för att mäta neutrons livslängd, "Sa Chang." Det är alltid den mest spännande delen:När teorin har något att säga om experimentet. "

I sista hand, Rinaldi sa:denna och andra beräkningar som möjliggörs av teamets beräkningsteknik kan förbättra vår förståelse av protoner och neutroner, och hjälpa till att svara på andra enastående frågor om kärnfysik, mörk materia, och universums natur.