Los experimentos que miden la vida útil de los neutrones revelan una discrepancia desconcertante y sin resolver. Si bien esta vida se ha medido con una precisión dentro del 1 por ciento utilizando diferentes técnicas, los conflictos aparentes en las mediciones ofrecen la posibilidad emocionante de aprender sobre la física aún no descubierta.
Ahora, un equipo liderado por científicos de la División de Ciencias Nucleares del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía Berkeley Lab ha alistado supercomputadoras poderosas para calcular una cantidad conocida como "acoplamiento axial de nucleones", o g A - que es fundamental para nuestra comprensión de la vida útil de un neutrón - con una precisión sin precedentes. Su método ofrece un camino claro hacia mejoras adicionales que pueden ayudar a resolver la discrepancia experimental.
Para lograr sus resultados, los investigadores crearon una porción microscópica de un universo simulado para proporcionar una ventana al mundo subatómico. Su estudio fue publicado en línea el 30 de mayo en la revista Naturaleza .
El acoplamiento axial del nucleón se define más exactamente como la fuerza a la que un componente conocido como el componente axial de la "corriente débil" del Modelo estándar de física de partículas se acopla al neutrón. La corriente débil es dada por uno deLas cuatro fuerzas fundamentales conocidas del universo y es responsable de la desintegración beta radiactiva, el proceso por el cual un neutrón se desintegra en un protón, un electrón y un neutrino.
Además de las mediciones de la vida útil de los neutrones, las mediciones precisas de la desintegración beta de los neutrones también se utilizan para investigar la nueva física más allá del Modelo Estándar. Los físicos nucleares buscan resolver la discrepancia de vida y aumentar con resultados experimentales determinando g A más precisamente
Los investigadores recurrieron a la cromodinámica cuántica QCD, una piedra angular del modelo estándar que describe cómo los quarks y los gluones interactúan entre sí. Los quuarks y los gluones son los bloques de construcción fundamentales para partículas más grandes, como los neutrones y los protones. La dinámica deEstas interacciones determinan la masa del neutrón y el protón, y también el valor de g A .
Pero clasificar a través de la complejidad inherente de QCD para producir estas cantidades requiere la ayuda de supercomputadoras masivas. En el último estudio, los investigadores aplicaron una simulación numérica conocida como retícula QCD, que representa QCD en una cuadrícula finita.
Mientras que las interacciones de QCD respetan un tipo de simetría de espejo invertido en las interacciones de partículas llamado paridad como intercambiar sus manos derecha e izquierda, y el componente axial de la corriente débil cambia la paridad: la naturaleza no respeta la paridadanálogamente, la mayoría de nosotros somos diestros. Y debido a que la naturaleza rompe esta simetría, el valor de g A solo se puede determinar a través de mediciones experimentales o predicciones teóricas con QCD de red.
La nueva determinación teórica del equipo de g A se basa en una simulación de una pequeña parte del universo, del tamaño de unos pocos neutrones en cada dirección. Simularon la transición de un neutrón a un protón dentro de esta pequeña sección del universo, para predecir lo que sucede en la naturaleza.
El universo modelo contiene un neutrón en medio de un mar de pares quark-antiquark que se agitan bajo la superficie del aparente vacío del espacio libre.
"Cálculo de g A se suponía que era uno de los cálculos de referencia simples que se podrían utilizar para demostrar que el QCD de red se puede utilizar para la investigación básica de física nuclear y para pruebas de precisión que buscan nueva física en entornos de física nuclear ", dijo André Walker-Loud, un científico del personal de la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab que dirigió el nuevo estudio, "resultó ser una cantidad excepcionalmente difícil de determinar".
Esto se debe a que los cálculos de QCD en celosía se complican por resultados estadísticos excepcionalmente ruidosos que han frustrado un gran progreso en la reducción de incertidumbres en g anteriores A cálculos. Algunos investigadores habían estimado previamente que requeriría que la próxima generación de las supercomputadoras más avanzadas del país logre una precisión del 2 por ciento para g A alrededor de 2020.
El equipo que participó en el último estudio desarrolló una forma de mejorar sus cálculos de g A utilizando un enfoque no convencional y supercomputadoras en el Laboratorio Nacional Oak Ridge Laboratorio Oak Ridge y el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore Laboratorio Livermore. En el estudio participaron científicos de más de una docena de instituciones, incluidos investigadores de UC Berkeley y varios otros departamentos del Departamento de Energíalaboratorios nacionales
Chia Cheng "Jason" Chang, autor principal de la publicación e investigador postdoctoral en la División de Ciencias Nucleares de Berkeley Lab durante la duración de este trabajo, dijo: "Todos los cálculos pasados se realizaron en medio de este ambiente más ruidoso", lo que nubló laresultados que buscaban. Chang también se unió al Programa Interdisciplinario de Ciencias Teóricas y Matemáticas en RIKEN en Japón como científico investigador.
Walker-Loud agregó, "Encontramos una manera de extraer g A antes en el tiempo, antes de que el ruido "explote" en su cara "
Chang dijo: "Ahora tenemos una predicción puramente teórica de la vida útil del neutrón, y es la primera vez que podemos predecir que la vida útil del neutrón sea consistente con los experimentos".
"Este fue un intenso proyecto de 2 años y medio que solo se unió debido al gran equipo de personas que trabajan en él", dijo Walker-Loud.
Este último cálculo también impone restricciones más estrictas en una rama de las teorías físicas que se extienden más allá del Modelo Estándar, restricciones que exceden las establecidas por los potentes experimentos de colisionadores de partículas en el Gran Colisionador de Hadrones del CERN. Pero los cálculos aún no son lo suficientemente precisos para determinarsi la nueva física se ha estado escondiendo en el g A y mediciones de vida útil de neutrones.
Chang y Walker-Loud señalaron que la principal limitación para mejorar la precisión de sus cálculos es proporcionar más potencia informática.
"No tenemos que cambiar la técnica que estamos utilizando para obtener la precisión necesaria", dijo Walker-Loud.
El último trabajo se basa en décadas de investigación y recursos computacionales de la comunidad QCD de celosía. En particular, el equipo de investigación confió en los datos QCD generados por la Colaboración MILC; una biblioteca de software de código abierto para QCD de celosía llamada Chroma, desarrollada por USQCDcolaboración; y QUDA, una biblioteca de software de código abierto altamente optimizada para cálculos reticulares de QCD.
El equipo aprovechó en gran medida el poder de Titan, una supercomputadora en Oak Ridge Lab equipada con unidades de procesamiento de gráficos o GPU, además de unidades de procesamiento central o CPU más convencionales. Las GPU han evolucionado desde su uso inicial en la aceleración de videojuegosgráficos para aplicaciones actuales en la evaluación de matrices grandes para abordar algoritmos complicados pertinentes a muchos campos de la ciencia.
Los cálculos de acoplamiento axial utilizaron alrededor de 184 millones de "horas Titan" de potencia informática; tomaría una sola computadora portátil con una memoria grande de aproximadamente 600,000 años para completar los mismos cálculos.
A medida que los investigadores trabajaron a través de su análisis de este conjunto masivo de datos numéricos, se dieron cuenta de que se necesitaban más refinamientos para reducir la incertidumbre en sus cálculos.
El equipo fue asistido por el personal del Centro de Computación de Liderazgo de Oak Ridge para utilizar eficientemente su asignación de 64 millones de horas de titán, y también recurrieron al programa de Computación Multiprogramática e Institucional en Livermore Lab, que les dio más tiempo de computación para resolver sus cálculosy reducir su margen de incertidumbre a poco menos del 1 por ciento.
"Establecer una nueva forma de calcular g A ha sido una gran montaña rusa ", dijo Walker-Loud.
Con más estadísticas de supercomputadoras más potentes, el equipo de investigación espera reducir el margen de incertidumbre a alrededor del 0.3 por ciento. "Ahí es donde realmente podemos comenzar a discriminar entre los resultados de los dos métodos experimentales diferentes para medir la vida útil de los neutrones".Chang dijo: "Esa es siempre la parte más emocionante: cuando la teoría tiene algo que decir sobre el experimento".
Añadió: "Con mejoras, esperamos poder calcular cosas que son difíciles o incluso imposibles de medir en experimentos".
Ya, el equipo ha solicitado tiempo en una supercomputadora de próxima generación en Oak Ridge Lab llamada Summit, lo que aceleraría enormemente los cálculos.
Además de los investigadores en Berkeley Lab y UC Berkeley, el equipo científico también incluyó investigadores de la Universidad de Carolina del Norte, el Centro de Investigación RIKEN BNL en el Laboratorio Nacional Brookhaven, el Laboratorio Nacional Lawrence Livermore, el Centro de Investigación Jülich en Alemania, la Universidad de Liverpoolen el Reino Unido, el Colegio de William & Mary, la Universidad de Rutgers, la Universidad de Washington, la Universidad de Glasgow en el Reino Unido, NVIDIA Corp. y el Centro Nacional de Aceleración Thomas Jefferson.
Uno de los participantes del estudio es un científico del Centro Nacional de Computación Científica de Investigación Energética NERSC. La supercomputadora Titan es parte de la Instalación de Computación de Liderazgo de Oak Ridge OLCF. NERSC y OLCF son instalaciones de usuarios de la Oficina de Ciencia de DOE.
El trabajo fue apoyado por los programas de Investigación y Desarrollo Dirigidos por Laboratorio en Berkeley Lab, la Oficina de Ciencia del Departamento de Energía de EE. UU., La Colaboración tópica de la Decadencia Beta Doble de Física Nuclear, el Programa de Premios a la Carrera Temprana del DOE, la Corporación NVIDIA, la Asociación Conjunta China-Proyectos de investigación alemanes de la Fundación Alemana de Investigación y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China, RIKEN en Japón, el Leverhulme Trust, el Instituto Kavli de Física Teórica de la Fundación Nacional de Ciencias, el innovador y novedoso impacto computacional sobre teoría y experimento INCITE del DOE, yel programa de computación multiprogramática e institucional del Laboratorio Nacional Lawrence Livermore a través de un premio Gran Desafío de Nivel 1
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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