Ett internationellt samarbete mellan teoretiska fysiker – inklusive forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Brookhaven National Laboratory (BNL) och RIKEN-BNL Research Center (RBRC) – har publicerat en ny beräkning som är relevant för sökandet efter en förklaring av dominansen. av materia framför antimateria i vårt universum. Samarbetet, känd som RBC-UKQCD, inkluderar även forskare från CERN (det europeiska partikelfysiklaboratoriumet), Columbia University, University of Connecticut, University of Edinburgh, Massachusetts Institute of Technology, universitetet i Regensburg, och University of Southampton. De beskriver sitt resultat i en artikel som ska publiceras i tidskriften Fysisk granskning D och har markerats som ett "redaktörsförslag".

Forskare observerade först en liten skillnad i beteendet hos materia och antimateria – känd som en kränkning av "CP-symmetri" – när de studerade sönderfallet av subatomära partiklar som kallas kaoner i ett Nobelprisvinnande experiment vid Brookhaven Lab 1963. Medan standardmodellen av partikelfysik sattes ihop strax efter det, att förstå huruvida den observerade CP-överträdelsen i kaon-sönderfall som överensstämmer med standardmodellen har visat sig svårfångad på grund av komplexiteten i de krävda beräkningarna.

Den nya beräkningen ger en mer exakt förutsägelse av sannolikheten med vilken kaoner sönderfaller till ett par elektriskt laddade pioner kontra ett par neutrala pioner. Att förstå dessa sönderfall och jämföra förutsägelsen med nyare state-of-the-art experimentella mätningar gjorda vid CERN och DOE:s Fermi National Accelerator Laboratory ger forskare ett sätt att testa för små skillnader mellan materia och antimateria, och sök efter effekter som inte kan förklaras av standardmodellen.

Den nya beräkningen representerar en betydande förbättring jämfört med koncernens tidigare resultat, publicerad i Fysiska granskningsbrev 2015. Baserat på standardmodellen, den ger en rad värden för vad som kallas "direkt CP-symmetriöverträdelse" i kaon-sönderfall som överensstämmer med de experimentellt uppmätta resultaten. Det betyder att den observerade CP-överträdelsen nu är, som vi förstår det, förklaras av standardmodellen, men osäkerheten i förutsägelsen behöver förbättras ytterligare eftersom det också finns en möjlighet att avslöja eventuella källor till materia/antimateriaasymmetri som ligger bortom den nuvarande teorins beskrivning av vår värld.

"En ännu mer exakt teoretisk beräkning av standardmodellen kan fortfarande ligga utanför det experimentellt uppmätta området. Det är därför av stor vikt att vi fortsätter våra framsteg, och förfina våra beräkningar, så att vi kan ge ett ännu starkare test av vår grundläggande förståelse, " sa Brookhaven Lab-teoretikern Amarjit Soni.

Materia/antimateria obalans

"Behovet av en skillnad mellan materia och antimateria är inbyggt i den moderna teorin om kosmos, ", sa Norman Christ från Columbia University. "Vår nuvarande uppfattning är att det nuvarande universum skapades med nästan lika stora mängder materia och antimateria. Förutom de små effekterna som studeras här, materia och antimateria bör vara identiska på alla sätt, utöver konventionella val som att tilldela negativ laddning till en partikel och positiv laddning till dess anti-partikel. En viss skillnad i hur dessa två typer av partiklar fungerar måste ha vänt balansen för att gynna materia framför antimateria, " han sa.

"Alla skillnader i materia och antimateria som har observerats hittills är alldeles för svaga för att förklara dominansen av materia som finns i vårt nuvarande universum, ", fortsatte han. "Att hitta en betydande diskrepans mellan en experimentell observation och förutsägelser baserade på standardmodellen skulle potentiellt visa vägen till nya mekanismer för partikelinteraktioner som ligger utanför vår nuvarande förståelse - och som vi hoppas hitta för att hjälpa till att förklara denna obalans ."

Modellera kvarkinteraktioner

Alla experiment som visar en skillnad mellan materia och antimateria involverar partiklar gjorda av kvarkar, de subatomära byggstenarna som binder genom den starka kraften för att bilda protoner, neutroner, och atomkärnor – och även mindre bekanta partiklar som kaoner och pioner.

"Varje kaon och pion är gjord av en kvark och en antikvark, omgiven av ett moln av virtuella kvark-antikvarkpar, och sammanbundna av kraftbärare som kallas gluoner, " förklarade Christopher Kelly, från Brookhaven National Laboratory.

De standardmodellbaserade beräkningarna av hur dessa partiklar beter sig måste därför inkludera alla möjliga interaktioner mellan kvarkar och gluoner, som beskrivs av den moderna teorin om starka interaktioner, känd som kvantkromodynamik (QCD).

Dessutom, dessa bundna partiklar rör sig nära ljusets hastighet. Det betyder att beräkningarna också måste inkludera relativitetsprinciperna och kvantteorin, som styr sådana nära-ljus-hastighet partikelinteraktioner.

"På grund av det enorma antalet variabler som är involverade, det här är några av de mest komplicerade beräkningarna i hela fysiken, " noterade Tianle Wang, vid Columbia University.

Beräkningsmässig utmaning

För att klara utmaningen, teoretikerna använde en beräkningsmetod som kallas gitter QCD, som "placerar" partiklarna på ett fyrdimensionellt rum-tidsgitter (tre rumsdimensioner plus tid). Detta lådliknande gitter tillåter dem att kartlägga alla möjliga kvantvägar för den initiala kaonen att förfalla till de två sista pionerna. Resultatet blir mer exakt när antalet gitterpunkter ökar. Wang noterade att "Feynman-integralen" för beräkningen som redovisas här innebar att integrera 67 miljoner variabler!

Dessa komplexa beräkningar gjordes med hjälp av avancerade superdatorer. Den första delen av arbetet, generera prover eller ögonblicksbilder av de mest sannolika kvark- och gluonfälten, utfördes på superdatorer i USA, Japan, och Storbritannien. Det andra och mest komplexa steget för att extrahera de faktiska kaonavklingningsamplituderna utfördes vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science-användaranläggning vid DOE:s Lawrence Berkeley National Laboratory.

Men att använda de snabbaste datorerna räcker inte; dessa beräkningar är fortfarande bara möjliga även på dessa datorer när man använder mycket optimerade datorkoder, utvecklad för beräkningen av författarna.

"Precisionen i våra resultat kan inte ökas avsevärt genom att bara utföra fler beräkningar, " sa Kelly. "Istället, för att skärpa vårt test av standardmodellen måste vi nu övervinna ett antal mer grundläggande teoretiska utmaningar. Vårt samarbete har redan gjort betydande framsteg för att lösa dessa problem och i kombination med förbättringar av beräkningstekniker och kraften hos nära framtida DOE-superdatorer, vi förväntar oss att uppnå mycket förbättrade resultat inom de kommande tre till fem åren."