Новый расчет, выполненный с использованием самых быстрых суперкомпьютеров в мире, позволяет ученым более точно предсказать вероятность двух путей распада каонов и сравнить эти прогнозы с экспериментальными измерениями. Сравнительные тесты на крошечные различия между материей и антивеществом, которые могли бы, с еще большей вычислительной мощностью и другими усовершенствованиями, указать на физические явления, не объясняемые Стандартной моделью. Предоставлено: Брукхейвенская национальная лаборатория.
Теоретики публикуют улучшенное предсказание крошечной разницы в распадах каонов, наблюдаемой экспериментально.
Международное сотрудничество физиков-теоретиков, включая ученых из Брукхейвенской национальной лаборатории (BNL) Министерства энергетики США (DOE) и Исследовательского центра RIKEN-BNL (RBRC), опубликовало новый расчет, имеющий отношение к поиску объяснения преобладания материи по антивеществу в нашей Вселенной. В коллаборацию, известную как RBC-UKQCD, также входят ученые из ЦЕРН (Европейская лаборатория физики элементарных частиц), Колумбийский университет, Университет Коннектикута, Эдинбургский университет, Массачусетский технологический институт, Университет Регенсбурга и Университет Саутгемптона. Они описывают свой результат в статье, которая будет опубликована в журнале. Физический обзор D и был отмечен как «предложение редактора».
Ученые впервые заметили небольшое различие в поведении вещества и антивещества, известное как нарушение «CP-симметрии», при изучении распада субатомных частиц, называемых каонами, в эксперименте, получившем Нобелевскую премию в Брукхейвенской лаборатории в 1963 году. Вскоре после этого физика элементарных частиц была собрана воедино, и понимание того, согласуется ли наблюдаемое CP-нарушение в распадах каонов со Стандартной моделью, оказалось неуловимым из-за сложности требуемых вычислений.
Новый расчет дает более точное предсказание вероятности распада каонов на пару электрически заряженных пионов по сравнению с парой нейтральных пионов. Понимание этих распадов и сравнение прогнозов с более свежими экспериментальными измерениями, выполненными в ЦЕРНе и Национальной ускорительной лаборатории Ферми Министерства энергетики США, дает ученым возможность проверить крошечные различия между материей и антивеществом и найти эффекты, которые невозможно объяснить. Стандартной моделью.
Новый расчет представляет собой значительное улучшение по сравнению с предыдущим результатом группы, опубликованным в Письма с физическими проверками в 2015 году. Основанный на Стандартной модели, он дает диапазон значений для так называемого «прямого нарушения CP-симметрии» в распадах каонов, что согласуется с экспериментально измеренными результатами. Это означает, что наблюдаемое CP-нарушение теперь, насколько нам известно, объясняется Стандартной моделью, но неопределенность в прогнозе нуждается в дальнейшем улучшении, поскольку также есть возможность выявить любые источники асимметрии вещества / антивещества, лежащие за пределами описание нашего мира текущей теорией.
«Даже более точный теоретический расчет Стандартной модели может выходить за пределы экспериментально измеренного диапазона. Поэтому очень важно, чтобы мы продолжали наш прогресс и уточняли наши расчеты, чтобы мы могли обеспечить еще более сильную проверку нашего фундаментального понимания », – сказал теоретик Брукхейвенской лаборатории Амарджит Сони.
Дисбаланс вещества / антивещества
«Необходимость различия между материей и антивеществом заложена в современной теории космоса», – сказал Норман Крайст из Колумбийского университета. «Наше текущее понимание таково, что нынешняя Вселенная была создана с почти равным количеством вещества и антивещества. За исключением крошечных эффектов, изучаемых здесь, материя и антивещество должны быть идентичны во всех отношениях, помимо обычных решений, таких как присвоение отрицательного заряда одной частице и положительного заряда ее античастице. Некоторая разница в том, как работают эти два типа частиц, должно быть, склонила чашу весов в пользу материи перед антивеществом », – сказал он.
«Любые различия в материи и антивеществе, которые наблюдались на сегодняшний день, слишком слабы, чтобы объяснить преобладание материи в нашей нынешней Вселенной», – продолжил он. «Обнаружение значительного несоответствия между экспериментальным наблюдением и предсказаниями, основанными на Стандартной модели, потенциально могло бы указать путь к новым механизмам взаимодействия частиц, которые выходят за рамки нашего нынешнего понимания – и которые мы надеемся найти, чтобы помочь объяснить этот дисбаланс».
Моделирование кварковых взаимодействий
Все эксперименты, которые показывают разницу между материей и антивеществом, включают в себя частицы, состоящие из кварков, субатомных строительных блоков, которые посредством сильного взаимодействия связываются с образованием протонов, нейтронов и атомных ядер, а также менее знакомые частицы, такие как каоны и пионы.
«Каждый каон и пион состоят из кварка и антикварка, окружены облаком виртуальных кварк-антикварковых пар и связаны вместе носителями силы, называемыми глюонами», – объяснил Кристофер Келли из Брукхейвенской национальной лаборатории.
Поэтому расчеты поведения этих частиц на основе Стандартной модели должны включать все возможные взаимодействия кварков и глюонов, как это описано в современной теории сильных взаимодействий, известной как квантовая хромодинамика (КХД).
Кроме того, эти связанные частицы движутся со скоростью, близкой к скорости света. Это означает, что расчеты также должны включать принципы теории относительности и квантовой теории, которые регулируют такие взаимодействия частиц со скоростью, близкой к световой.
«Из-за огромного количества задействованных переменных это одни из самых сложных вычислений во всей физике», – отмечает Тианле Ван из Колумбийского университета.
Суперкомпьютер Cori в Национальном вычислительном центре энергетических исследований (NERSC), пользовательском объекте Управления науки Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики. Предоставлено: NERSC, Национальная лаборатория Лоуренса Беркли.
Вычислительная проблема
Чтобы справиться с этой задачей, теоретики использовали вычислительный подход, названный решеточной КХД, который «помещает» частицы в четырехмерную решетку пространства-времени (три пространственных измерения плюс время). Эта прямоугольная решетка позволяет им отобразить все возможные квантовые пути, по которым начальный каон распадется до двух последних пионов. Результат становится более точным по мере увеличения количества точек решетки. Ван отметил, что «интеграл Фейнмана» для представленных здесь вычислений включал интегрирование 67 миллионов переменных!
Эти сложные вычисления были выполнены с использованием новейших суперкомпьютеров. Первая часть работы, создание образцов или снимков наиболее вероятных кварковых и глюонных полей, была выполнена на суперкомпьютерах, расположенных в США, Японии и Великобритании. Второй и наиболее сложный шаг по извлечению реальных амплитуд распада каонов был выполнен в Национальном вычислительном центре исследований в области энергетики (NERSC), пользовательском центре Управления науки Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса Беркли Министерства энергетики.
Но использовать самые быстрые компьютеры недостаточно; эти расчеты все еще возможны даже на этих компьютерах при использовании высокооптимизированных компьютерных программ, разработанных авторами для расчетов.
«Точность наших результатов не может быть значительно увеличена простым выполнением дополнительных вычислений», – сказал Келли. «Вместо этого, чтобы ужесточить нашу проверку Стандартной модели, мы должны теперь преодолеть ряд более фундаментальных теоретических проблем. Наше сотрудничество уже добилось значительных успехов в решении этих проблем, и в сочетании с усовершенствованием вычислительных методов и мощностью суперкомпьютеров Министерства энергетики в ближайшем будущем мы ожидаем значительно улучшить результаты в течение следующих трех-пяти лет ».
Ссылка: «Прямое нарушение CP и правило ΔI = 1/2 в распаде K → ππ из стандартной модели» Р. Эбботта, Т. Блюма, П. А. Бойля, М. Бруно, Н. Х. Криста, Д. Хойинга, К. Юнга. , К. Келли, К. Ленер, Р. Д. Мауинни, Д. Д. Мерфи, К. Т. Сачрайда, А. Сони, М. Томии и Т. Ван (сотрудничество RBC и UKQCD), 17 сентября 2020 г., Физический обзор D.
DOI: 10.1103 / PhysRevD.102.054509
Авторами этой статьи в алфавитном порядке являются: Райан Эбботт (Колумбия), Томас Блюм (Вашингтон, Коннектикут), Питер Бойл (Британская национальная ассоциация и университет в Эдинбурге), Маттиа Бруно (ЦЕРН), Норман Крист (Колумбия), Дэниел Хойинг (Вашингтон). , Чулву Юнг (BNL), Кристофер Келли (BNL), Кристоф Ленер (BNL & U из Регенсбурга), Роберт Мохинни (Колумбия), Дэвид Мерфи (С), Кристофер Сачрайда (Саутгемптон), Амарджит Сони (BNL), Масааки Томии (Коннектикут) и Тианле Ван (Колумбия).
Большинство измерений и анализа для этой работы были выполнены с использованием суперкомпьютера Cori в NERSC с дополнительным участием машины Hokusai в Advanced Center for Computing and Communication в японской лаборатории RIKEN и установки IBM BlueGene / Q (BG / Q). в Brookhaven Lab (поддерживается Исследовательским центром RIKEN BNL и основным операционным контрактом Brookhaven Lab с Управлением науки Министерства энергетики США). Дополнительные суперкомпьютерные ресурсы, использованные для разработки конфигураций решетки, включали: установку BG / Q в Brookhaven Lab, суперкомпьютер Mira в Argonne Leadership Class Computing Facility (ALCF) в Аргоннской национальной лаборатории, компьютер KEKSC 1540 в Японии, Совет по науке и технологиям Великобритании. Машина DiRAC в Университете Эдинбурга и машина Blue Waters Национального центра суперкомпьютерных приложений в Университете Иллинойса (финансируется Национальным научным фондом США). NERSC и ALCF являются пользовательскими объектами Управления науки Министерства энергетики США. Отдельные исследователи получали поддержку в рамках различных грантов, выданных Управлением науки Министерства энергетики США и других источников в США и за рубежом.
