För två decennier sedan, ett experiment vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory visade på en mystisk obalans mellan etablerad partikelfysikteori och faktiska labbmätningar. När forskare mätte beteendet hos en subatomär partikel som kallas myon, resultaten överensstämde inte med teoretiska beräkningar, utgör en potentiell utmaning för standardmodellen – vår nuvarande förståelse av hur universum fungerar.

Sen dess, forskare runt om i världen har försökt verifiera denna avvikelse och fastställa dess betydelse. Svaret kan antingen upprätthålla standardmodellen, som definierar alla kända subatomära partiklar och hur de interagerar, eller introducera möjligheten till en helt oupptäckt fysik. Ett multiinstitutionellt forskarlag (inklusive Brookhaven, Columbia University, och universiteten i Connecticut, Nagoya och Regensburg, RIKEN) har använt Argonne National Laboratorys Mira superdator för att hjälpa till att begränsa de möjliga förklaringarna till avvikelsen, levererar en nyligen exakt teoretisk beräkning som förfinar en del av detta mycket komplexa pussel. Arbetet, finansieras delvis av DOE:s Office of Science genom dess Office of High Energy Physics and Advanced Scientific Computing Research-program, har publicerats i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

En muon är en tyngre version av elektronen och har samma elektriska laddning. Mätningen i fråga är av myonens magnetiska moment, som definierar hur partikeln vinglar när den interagerar med ett externt magnetfält. Det tidigare Brookhaven-experimentet, känd som Muon g-2, undersökte myoner när de interagerade med en elektromagnet lagringsring 50 fot i diameter. De experimentella resultaten avvek från det värde som förutspåtts av teorin med en extremt liten mängd mätt i delar per miljon, men i standardmodellens område, en sådan skillnad är tillräckligt stor för att vara märkbar.

"Om man tar hänsyn till osäkerheter i både beräkningarna och mätningarna, vi kan inte säga om detta är en verklig avvikelse eller bara en statistisk fluktuation, sa Thomas Blum, en fysiker vid University of Connecticut som var medförfattare till uppsatsen. "Så både experimentalister och teoretiker försöker förbättra skärpan i sina resultat."

Som Taku Izubuchi, en fysiker vid Brookhaven Lab som är medförfattare på tidningen, noterade, "Fysiker har försökt förstå muons avvikande magnetiska ögonblick genom att jämföra exakta teoretiska beräkningar och exakta experiment sedan 1940 -talet. Denna arbetssekvens har lett till många upptäckter inom partikelfysik och fortsätter att expandera gränserna för vår kunskap och förmåga inom både teori och experiment."

Om diskrepansen mellan experimentella resultat och teoretiska förutsägelser verkligen är verklig, det skulle betyda att någon annan faktor - kanske någon ännu inte upptäckt partikel - får myonen att bete sig annorlunda än förväntat, och standardmodellen skulle behöva revideras.

Teamets arbete fokuserade på en notoriskt svår aspekt av anomalien som involverade den starka kraften, som är en av fyra grundläggande krafter i naturen som styr hur partiklar interagerar, tillsammans med svaga, elektromagnetiska, och gravitationskraft. De största osäkerheterna i muonberäkningarna kommer från partiklar som interagerar genom den starka kraften, känd som hadroniska bidrag. Dessa hadroniska bidrag definieras av en teori som kallas kvantkromodynamik (QCD).

Forskarna använde en metod som kallas galler QCD för att analysera en typ av hadronic bidrag, ljus-för-ljus-spridning. "För att göra beräkningen, vi simulerar kvantfältet i en liten kubisk låda som innehåller ljus-för-ljus-spridningsprocessen vi är intresserade av, sa Luchang Jin, en fysiker vid University of Connecticut och medförfattare av papper. "Vi kan lätt få miljontals punkter i tid och rum i simuleringen."

Det var där Mira kom in. Teamet använde superdatorn, inrymt vid Argonne Leadership Computing Facility (ALCF), att lösa de komplexa matematiska ekvationerna för QCD, som kodar för alla möjliga starka interaktioner med myonen. ALCF, en DOE Office of Science User Facility, nyligen pensionerade Mira för att få plats med den kraftfullare Aurora -superdatorn, ett exascale-system planerat att komma 2021.

"Mira var idealisk för detta arbete, "sa James Osborn, en beräkningsforskare vid ALCF och Argonnes division Computational Science. "Med nästan 50, 000 noder anslutna med ett mycket snabbt nätverk, vårt massivt parallella system gjorde det möjligt för teamet att köra stora simuleringar mycket effektivt."

Efter fyra års körning av beräkningar på Mira, forskarna producerade det första resultatet någonsin för det hadroniska ljus-för-ljus-spridningsbidraget till det onormala magnetiska momentet i muon, kontrollerar för alla fel.

"Under en lång tid, många tyckte detta bidrag, för det var så utmanande, skulle förklara avvikelsen, " sa Blum. "Men vi fann att tidigare uppskattningar inte var långt borta, och att det verkliga värdet inte kan förklara diskrepansen."

Under tiden, en ny version av Muon g-2-experimentet pågår vid Fermi National Accelerator Laboratory, som syftar till att minska osäkerheten på experimentsidan med en faktor fyra. Dessa resultat kommer att ge mer insikt i det teoretiska arbete som görs nu.

"Så vitt vi vet, diskrepansen består fortfarande, " sa Blum. "Vi väntar på att se om resultaten tillsammans pekar på ny fysik, eller om den nuvarande standardmodellen fortfarande är den bästa teorin vi har för att förklara naturen."