Titta djupare in i atomens hjärta än vad något mikroskop tillåter och forskare antar att du kommer att hitta en rik värld av partiklar som dyker in och ut ur vakuumet, sönderfaller till andra partiklar, och lägga till konstigheterna i den synliga världen. Dessa subatomära partiklar styrs av universums kvantitet och finner påtagliga, fysisk form i experimentella resultat.

Vissa subatomära partiklar upptäcktes först för över ett sekel sedan med relativt enkla experiment. På senare tid, dock, strävan att förstå dessa partiklar har skapat de största, mest ambitiösa och komplexa experiment i världen, inklusive de vid partikelfysiklaboratorier som Europeiska organisationen för kärnforskning (CERN) i Europa, Fermilab i Illinois, och High Energy Accelerator Research Organization (KEK) i Japan.

Dessa experiment har ett uppdrag att utöka vår förståelse av universum, kännetecknas mest harmoniskt i standardmodellen för partikelfysik; och att se bortom standardmodellen för ännu okänd fysik.

"Standardmodellen förklarar så mycket av det vi observerar i elementärpartikel- och kärnfysik, men det lämnar många frågor obesvarade, "sa Steven Gottlieb, framstående professor i fysik vid Indiana University. "Vi försöker avslöja mysteriet om vad som ligger bortom standardmodellen."

Ända sedan början av studiet av partikelfysik, experimentella och teoretiska tillvägagångssätt har kompletterat varandra i försöket att förstå naturen. Under de senaste fyra till fem decennierna har avancerad databehandling har blivit en viktig del av båda metoderna. Stora framsteg har gjorts för att förstå beteendet i djurparken för subatomära partiklar, inklusive bosoner (särskilt den efterlängtade och nyligen upptäckta Higgs -bosonen), olika smaker av kvarker, gluoner, muons, neutriner och många stater gjorda av kombinationer av kvarker eller antikvarker bundna ihop.

Kvantfältteori är det teoretiska ramverk från vilket standardmodellen för partikelfysik är konstruerad. Den kombinerar klassisk fältteori, särskild relativitet och kvantmekanik, utvecklad med bidrag från Einstein, Dirac, Fermi, Feynman, och andra. Inom standardmodellen, kvantkromodynamik, eller QCD, är teorin om den starka interaktionen mellan kvarker och gluoner, de grundläggande partiklarna som utgör några av de större sammansatta partiklarna som protonen, neutron och pion.

Peering Through the Gitter

Carleton DeTar och Steven Gottlieb är två av de ledande samtida forskarna inom QCD -forskning och utövar en metod som kallas gitter QCD. Gitter QCD representerar kontinuerligt utrymme som en diskret uppsättning av rymdtidspunkter (kallas gallret). Den använder superdatorer för att studera interaktioner mellan kvarker, och viktigare, för att mer exakt bestämma flera parametrar i standardmodellen, vilket minskar osäkerheten i sina förutsägelser. Det är en långsam och resurskrävande strategi, men det har visat sig ha stor tillämpbarhet, ge insikt i delar av teorin som är otillgängliga på andra sätt, i synnerhet de uttryckliga krafter som verkar mellan kvarker och antikvarker.

DeTar och Gottlieb är en del av MIMD Lattice Computation (MILC) -samarbetet och arbetar mycket nära Fermilab Lattice Collaboration om de allra flesta av deras arbete. De arbetar också med High Precision QCD (HPQCD) Collaboration för att studera det muon anomala magnetiska momentet. Som en del av dessa ansträngningar, de använder de snabbaste superdatorer i världen.

Sedan 2019 har de har använt Frontera vid Texas Advanced Computing Center (TACC) - den snabbaste akademiska superdatorn i världen och den nionde snabbaste totalt sett - för att driva sitt arbete. De är bland de största användarna av den resursen, som finansieras av National Science Foundation. Teamet använder också Summit på Oak Ridge National Laboratory (världens snabbaste superdator #2); Cori vid National Energy Research Scientific Computing Center (#20), och Stampede2 (#25) på TACC, för gitterberäkningarna.

Ansträngningarna från gitter -QCD -gemenskapen under decennier har medfört större noggrannhet för partikelprognoser genom en kombination av snabbare datorer och förbättrade algoritmer och metoder.

"Vi kan göra beräkningar och göra förutsägelser med hög precision för hur starka interaktioner fungerar, "sa DeTar, professor i fysik och astronomi vid University of Utah. "När jag började som doktorand i slutet av 1960 -talet några av våra bästa uppskattningar låg inom 20 procent av experimentella resultat. Nu kan vi få svar med subprocents noggrannhet. "

Inom partikelfysik, fysiska experiment och teoriresor i tandem, informera varandra, men ibland ger det olika resultat. Dessa skillnader tyder på områden för ytterligare utforskning eller förbättring.

"Det finns vissa spänningar i dessa tester, "sa Gottlieb, framstående professor i fysik vid Indiana University. "Spänningarna är inte tillräckligt stora för att säga att det finns ett problem här - det vanliga kravet är minst fem standardavvikelser. Men det betyder antingen att du gör teorin och experimenterar mer exakt och finner att avtalet är bättre; eller så gör du det och du får reda på, 'Vänta en minut, vad var den tre sigmaspänningen är nu en fem standardavvikelsespänning, och kanske har vi verkligen bevis för ny fysik. '"

DeTar kallar dessa små skillnader mellan teori och experiment "tantalizing". "De kanske berättar något för oss."

Under de senaste åren har DeTar, Gottlieb och deras medarbetare har följt vägarna för kvarker och antikvarker med allt större upplösning när de rör sig genom ett bakgrundsmoln av gluoner och virtuella kvark-antikvark-par, som föreskrivs exakt av QCD. Beräkningsresultaten används för att bestämma fysiskt meningsfulla mängder som partikelmassor och sönderfall.

En av de nuvarande toppmoderna metoderna som tillämpas av forskarna använder den så kallade mycket förbättrade förskjutna kvarkformalen (HISQ) för att simulera interaktioner mellan kvarker och gluoner. På Frontera, DeTar och Gottlieb simulerar för närvarande med ett gitteravstånd på 0,06 femtometer (10 ^-15 meter), men de närmar sig snabbt sitt slutmål på 0,03 femtometrar, ett avstånd där gitteravståndet är mindre än våglängden för den tyngsta kvarken, följaktligen bort en betydande osäkerhetskälla från dessa beräkningar.

Varje fördubbling av upplösningen, dock, kräver cirka två storleksordningar mer datorkraft, sätta ett 0,03 femtometer gitteravstånd ordentligt i den snabbt närmande "exascale" regimen.

"Kostnaderna för beräkningar fortsätter att stiga när du gör gitteravståndet mindre, "Sa DeTar." För mindre avstånd mellan gitter, vi tänker på framtida Department of Energy machines och Leadership Class Computing Facility [TACC:s framtida system för planering]. Men vi kan nöja oss med extrapoleringar nu. "

Muonens avvikande magnetiska ögonblick och andra enastående mysterier

Bland de fenomen som DeTar och Gottlieb hanterar är muons anomala magnetiska moment (i huvudsak en tung elektron) - vilket, i kvantfältsteori, uppstår från ett svagt moln av elementära partiklar som omger muonen. Samma sorts moln påverkar partikelförfall. Teoretiker tror att ännu oupptäckta elementära partiklar eventuellt kan finnas i det molnet.

Ett stort internationellt samarbete som kallas Muon g-2 Theory Initiative granskade nyligen den nuvarande statusen för beräkning av standardmodellen för muons avvikande magnetiska moment. Deras recension dök upp i Fysikrapporter i december 2020. DeTar, Gottlieb och flera av deras Fermilab -galler, Medarbetare från HPQCD och MILC är bland medförfattarna. De hittar en 3,7 standardavvikelseskillnad mellan experiment och teori.

"... de processer som var viktiga i universums tidigaste instans involverar samma interaktioner som vi arbetar med här. Så, mysterierna vi försöker lösa i mikrokosmos kan mycket väl också ge svar på mysterierna i den kosmologiska skalan. "

Carleton DeTar, Professor i fysik, University of Utah Medan vissa delar av de teoretiska bidragen kan beräknas med extrem noggrannhet, hadroniska bidrag (klassen subatomära partiklar som består av två eller tre kvarkar och deltar i starka interaktioner) är de svåraste att beräkna och är ansvariga för nästan all teoretisk osäkerhet. Gitter QCD är ett av två sätt att beräkna dessa bidrag.

"Den experimentella osäkerheten kommer snart att minska med upp till en faktor fyra genom det nya experiment som för närvarande körs på Fermilab, och även av det framtida J-PARC-experimentet, "skrev de." Detta och möjligheterna att ytterligare minska den teoretiska osäkerheten inom en snar framtid ... gör denna mängd till en av de mest lovande platserna att leta efter bevis för ny fysik. "

Gottlieb, DeTar och medarbetare har beräknat det hadroniska bidraget till det avvikande magnetiska ögonblicket med en precision på 2,2 procent. "Detta ger oss förtroende för att vårt kortsiktiga mål att uppnå en precision på 1 procent av det hadroniska bidraget till det onormala magnetiska ögonblicket i muon nu är realistiskt, "Sa Gottlieb. De hoppas kunna uppnå en precision på 0,5 procent några år senare.

Andra "spännande" antydningar till ny fysik innefattar mätningar av B -mesons förfall. Där, olika experimentella metoder når olika resultat. "Förfallna egenskaper och blandningar av D- och B-mesonerna är avgörande för en mer exakt bestämning av flera av de minst välkända parametrarna i standardmodellen, "Gottlieb sa." Vårt arbete är att förbättra bestämningarna av massorna i upp, ner, konstig, charm och bottenkvarkar och hur de blandas under svaga förfall. "Blandningen beskrivs av den så kallade CKM-blandningsmatrisen för vilken Kobayashi och Maskawa vann Nobelpriset i fysik 2008.

Svaren DeTar och Gottlieb söker är de mest grundläggande inom vetenskapen:Vad består materia av? Och var kom det ifrån?

"Universum är väldigt sammankopplat på många sätt, "sa DeTar." Vi vill förstå hur universum började. Den nuvarande förståelsen är att den började med Big Bang. Och de processer som var viktiga i universums tidigaste instans involverar samma interaktioner som vi arbetar med här. Så, mysterierna vi försöker lösa i mikrokosmos kan mycket väl också ge svar på mysterierna i den kosmologiska skalan. "